WO1998013892A1 - Fuel cell installation with tubular high temperature fuel cells - Google Patents

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WO1998013892A1
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Wolfgang Winkler
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell device with tubular high-temperature fuel cells.
  • Fuel cells are increasingly being used for the direct generation of electricity from the combustion reaction of the fuel in energy technology.
  • the largely isothermally available cell waste heat with cell temperature can be used for further electricity generation in a thermal power process if the fuel cells are operated at high temperature (high-temperature fuel cells).
  • This gradual use of the thermodynamic potential of the combustion reaction by means of the combination of the fuel cell and the thermal power process means that electrical efficiencies of up to 80% can be expected.
  • ⁇ Winkler W. Possibilities of designing combined cycle power plants with high-temperature fuel cells.
  • Winkler W Analysis of the system behavior of power plant processes with fuel cells.
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • one electrode is on the inside and the other on the outside of the fuel cell tube, both electrodes being electrical and separated on the gas side but connected to one another with regard to the transport of oxygen ions.
  • the term "electrical” refers here and below to the transportation of Electrons. All materials used must have approximately the same thermal expansion in order to avoid inadmissible thermal stresses. Air is applied to the cathode and fuel gas to the anode.
  • the individual cells are used to build structures, stacks or stacks, which are suitable for use in power plants.
  • the fuel cells are electrically connected in series to achieve technically usable voltages.
  • a simultaneous parallel connection of the individual cells or stacks of the same voltage level ensures the necessary redundancy in the event of failure of individual cells or stacks.
  • a step-by-step combustion of the fuel gas in cells connected in series ensures that, as far as advanced concepts are concerned, the working capacity of the fuel gas is utilized as much as possible.
  • the second u.a. The solution known from US-A-5 273 839 is based on an electrolyte which is open in the longitudinal direction of the tube and which forms the necessarily gastight tube only when the connection is made (see Westinghouse concept, for example in: The Westinghouse solid oxide fuel cell program - A 1992 progress report, Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, 1992).
  • the cathode is applied to the inside of the tube and is contacted via the connection contact. On the outside, the anode is applied with corresponding openings so that there is no electrical connection to the connection contact.
  • the tube is closed on one side.
  • the construction is reminiscent of a longitudinally welded tube and the cell is not rotationally symmetrical.
  • the combustion air is introduced into the cell tube near the closed end through an internal ceramic tube and flows out along the cathode side of the cell.
  • the fuel gas is supplied outside.
  • the individual cells are connected in series via the contacting of a cell through the connection contacting with nickel felt on the anode side of the next cell. By adding the fuel gas in the direction of flow of the electric current, this construction also enables cascading.
  • the desired redundancy can be achieved by contacting the individual cells of the same voltage level with nickel felt on the anode side.
  • the electrolyte does not form a closed tube and the fuel cell is therefore no longer rotationally symmetrical.
  • the contacts made on the outside of the tube relate to a total of three voltage levels.
  • the inner tube for air supply limits the tube diameter downwards and thus the power density upwards. Serial electrical connection and cascading is only possible with several pipes.
  • the object of the invention is to design the construction of the fuel cell and the stack so that the serial circuit and the cascading in one Fuel cell tube is made so that the parallel connection of the individual voltage levels takes place in a stack, that the fuel cell tube and its components on the outer surfaces that are important for production and handling are completely rotationally symmetrical even during the production steps, that there is a downward design limitation of the diameter of the fuel cell tube does not exist and that the stack ensures the favorable integration of the required external cooling of the fuel cell tubes.
  • stack also refers here to an arrangement of fuel cell tubes connected in parallel.
  • the electrodes on the outside of a rotationally symmetrical high-temperature fuel cell element are electrically conductively connected to one another by a felt that is resistant to high temperatures and thus form a single voltage level of parallel-connected cell elements;
  • the electrodes of the inner sides of the parallel connected fuel cell elements of a voltage level are electrically connected to the electrodes of the outer sides of the corresponding fuel cell elements of a further voltage level by gas-tight connection contacts, the respective outer spaces of the parallel connected cell elements of both voltage levels filled with the electrically conductive felt by electrically insulating but gas-permeable intermediate floors or other suitable gas-permeable separating elements are separated in order to avoid short circuits.
  • the number of voltage levels that are electrically connected in series is determined by the desired design voltage of the stack.
  • Fuel cell elements form the finished fuel cell tube.
  • the main flow direction of the fuel gas and the combustion air is parallel to the pipe axis.
  • a preferred form of training is the direct current arrangement and Another form of training is the countercurrent arrangement.
  • a uniform distribution of the fuel gas flow is ensured by means of resistance elements at the inlet and / or by means of fuel injection at several points.
  • the gas flow on the anode side is also referred to as anode gas and on the cathode side also as cathode gas, regardless of the type of local gas composition.
  • the cathode side that is exposed to air lies on the inside and outside the anode side that is exposed to fuel gas and that is contacted with nickel felt or another material with a similar structure. If only nickel felt is used in the following, another material with a similar structure is also included, i.e. an electrically conductive felt resistant to the high temperatures of the fuel cell.
  • Another embodiment is the formation of the outside of the cell elements of the fuel cell tube as a cathode. Felts with fibers made of cathode material are used for contacting. The rest of the description refers to the design with the external anode side and the contact with nickel felt, since there is no difference in the construction of the two variants, apart from the exchange of the gas flows and the necessary other materials for the felt.
  • Fuel cell elements of different voltage levels are preferably connected to one another in a gas-tight manner by means of annular connection contacts, the cathode side of the fuel cells of the first voltage level and the anode side of the fuel cell of the next voltage level in the flow direction of the fuel gas being conductively connected to one another via the connection contacts.
  • the fuel cells / ears are softly stored in the nickel felt surrounding them and are not braced with the intermediate floors, but the intermediate floors allow slight compensatory movements.
  • the fuel cell tubes of the stack are expediently fitted gas-tight at their ends facing the inlet side in a perforated plate. In this way, the passage of air to the anode side of the fuel cells is prevented.
  • the perforated plate consists of electrically conductive material with the same thermal expansion as the material of the fuel cells and is conductively connected to the anodes of the fuel cells and the contacting nickel felt.
  • the series connection of the fuel cell elements begins with a cathode-ready contact on the perforated plate, insulation being provided between the perforated plate and the nickel felt
  • the fuel cell stacks are preferably designed such that both gas flows are routed separately to a post-combustion chamber.
  • nozzle-shaped outlet connection contacts are provided on the outlet sides of the fuel cell tubes, which establish a conductive connection for current dissipation of the fuel cell stack. Precautions have been taken in the arrangement and design of the outlet nozzles that largely avoid the formation of nitrogen oxides during exhaust gas combustion.
  • connection between the outlet connection contacts of the fuel cell tubes at the stack outlet by means of nickel felt is preferably designed such that anode gas is constantly present in the area. This makes oxidation impossible. Additional current leads are preferably movably arranged within the nickel felt to a certain extent in order to reduce the electrical resistance of the current leads. At the anode-side outlet there is an electrically conductive nozzle base or a conductive network in the stack.
  • the fuel gas is added in the area of the air outlet.
  • the exit area of the combustion air is designed such that the area of the current discharge on the cathode side - gas-tight - separates the area of the anode side of the fuel cell tubes lined with nickel felt and the exit area on the cathode side to prevent a gas mixture
  • the fuel gas flow takes place against the flow of the combustion air towards the air inlet. This is where the anode-side exhaust gas generated during combustion is deflected. Channels conduct the anode-side exhaust gas to the air outlet area and to the afterburning chamber.
  • Another embodiment of the counterflow arrangement allows separate removal of the anode-side exhaust gas and the exhaust air from the cathode side, an air box being provided at the outlet of the fuel cell tubes for collecting the cathode-side exhaust air.
  • the exhaust air and the anode-side exhaust gas are removed via separate channels.
  • the stack is closed to the outside by solid walls.
  • continuous ceramic walls or combinations of metallic walls with ceramic insulation pieces are preferably provided in the transition area between the voltage levels.
  • the respective stack similar to a flat burner.
  • Other embodiments of the stack floor plan are circular and ring-shaped or hexagonal.
  • the afterburning chamber is designed in particular as a common combustion chamber.
  • the combustion air is supplied via the supply line and air box to the cathode side of the fuel cell tubes.
  • the fuel gas is supplied laterally at several points via a fuel gas line and or via separate nozzles in the perforated plate of the respective stack.
  • This design allows the stack floor plan to be adapted to various required floor plans.
  • the cooling tubes are designed as radiation coolers and are made of electrically insulating material, as a result of which short circuits are avoided.
  • a useful further development of the invention is the use of cooling tubes which are integrated in the stack parallel to the cell tubes.
  • Part of the heat released in the fuel cell stack is preferably immediately available for the endothermic process of fuel processing and or another part of this heat is provided for preheating the combustion air and or reheating cooled exhaust gas for further use in downstream processes.
  • Corresponding catalyst material is provided in the tubes for the cooling tubes which are used for fuel processing.
  • a further developed embodiment of a cooler integrated in the stack consists of an electrically insulating tube, which is closed on the outlet side of the stack and is arranged in central locations parallel to the heat-supplying fuel cell tubes in the stack Open pipe arranged, which supplies the arrangement with cooling gas.
  • the inner pipe is arranged centrally in the outer pipe so that the annular gap created between the pipes is sufficient to ensure that the cooling gas flows out functionally.
  • the cooling gas is combustion air, which after heating up flows into the air box and then to the cathode side of the fuel cell tubes.
  • natural gas or another hydrocarbon-containing fuel gas is the cooling gas.
  • the tube arrangement in which the pre-reforming now takes place, is provided with catalyst material and the previously reformed fuel gas flows through suitable openings in the outer tube, which are arranged on the inlet side of the stack, to the anode side of the fuel cell tubes.
  • An expedient development of the invention also uses the heat released in the afterburning for the fuel preparation and / or the air preheating and / or the reheating of the flue gas for use in downstream processes.
  • Coal or biomass gasification can be provided in an allothermal gasification, the tubes heated by the stacks and / or the afterburning chamber serving as a heat source.
  • the fuel cell tube it is advantageous to use a continuous, porous carrier tube made of non-conductive material with the same thermal expansion as the electrolyte and to apply the individual fuel cell elements with coatings of cathode, electrolyte and anode material to the carrier tube by means of suitable thin-film or sintering technology.
  • the individual cell elements which are formed one behind the other in this way are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts.
  • a partially electrically conductive carrier tube which consists of a chain of tube elements made of cathode material, which by means of ring-shaped elements made of electrically insulating material with the same
  • Tube are connected.
  • the outer surfaces of the tube elements are provided with a thin gas-tight layer of electrolyte material except for a small annular section at the end of each tube element made of cathode material, which remains free as a connection.
  • the pipe surface is coated with anode material.
  • the individual cell elements that are formed one behind the other are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts in order to form the fuel cell tube.
  • tubular elements from cathode material in such a way that the conductor cross section of the tubular element increases due to internal ribs. With the same conductor cross-section, this permits thinner wall thicknesses of the construction and thus smaller diffusion paths for the combustion air and, during start-up operations, higher permissible temperature change rates than is possible with ordinary pipes. That to build the partially electric conductive support tube necessary annular element made of electrically insulating material is designed so that it is provided on both sides with a number of pin-shaped fitting elements which are fitted into the inner ribs of the tubular element made of cathode material and are equipped with suitable technology.
  • Another advantageous further development of the invention is the formation of gas channels parallel to the fuel cell tubes in the external nickel felt, inner rings or porous tubes made of nickel material being introduced in such a way that they exert a slight contact pressure on the nickel felt when heated and thus the contact between the nickel felt and the anode side of the Improve fuel cell tube.
  • a further advantageous development of the invention is the production of individual voltage levels, each provided with the associated gas-permeable intermediate floors, consisting of the required number of cell elements, nickel felt and inner rings which, when soaked in volatile plastic or water glass, result in a compact block.
  • the gas-tight cell elements are designed so that they are equipped with a contact surface on the cathode and anode, as well as the necessary insulation.
  • the assembly into the fuel cell tubes is then carried out in all tubes of the stack in one operation per voltage level by connecting the associated cell elements to one another in an electrically serial and gas-tight manner using a suitable joining method.
  • 1 shows part of a fuel cell device in section
  • 2 shows a fuel cell device with tubular fuel cell elements connected in series in section
  • 3a shows a fuel cell device with an arrangement for the supply of fuel gas in countercurrent
  • 3b shows a fuel cell device with an arrangement for the supply of fuel gas in direct current
  • Fig. 4 shows a fuel cell device with a fuel gas supply in
  • Fig. 6 shows part of the fuel cell device as a section
  • FIG. 7b shows a part of the fuel cell device as a section of a fuel cell tube with a partially electrically conductive carrier tube
  • FIG. 8a shows a part of the fuel cell device as a cross section of a cathode tube provided with inner fins
  • Fig. 8b a part of the fuel cell device as a section of the electrically non-conductive connecting elements of a partially electrically conductive support tube and the fit into the inner ribs of the
  • FIG. 9 is a sectional view through part of the fuel cell device with anode-side gas channel and pressure rings of the nickel felt contact.
  • FIG. 1 shows a fuel cell device 30 of a basic type of rotation-symmetrical high-temperature fuel cells (SOFC) have inner cathodes 2 and outer anodes 3 on the circumference, which are separated by the electrolyte 23.
  • the fuel cells are preferably designed as tubes.
  • the cell elements 1 are acted upon on the inside on the cathode side with air, which is denoted by 2a, and on the outside on the anode side with fuel gas, which is denoted by 3a.
  • the arrows 2a, 3a point in the direction of flow. 1 is rotationally symmetrical with respect to a central axis S.
  • the cell elements 1 are contacted by a high-temperature-resistant, electrically conductive metal felt, which is, in particular, nickel felt 4.
  • a high-temperature-resistant, electrically conductive metal felt which is, in particular, nickel felt 4.
  • nickel felt 4 another material with a similar structure can be used.
  • a voltage level is formed by the electrically conductive connection of cell elements 1 arranged in parallel on the same spatial level.
  • This concept has the advantage that the anode space with the porous layer of nickel felt 4 or the like. Contacting material can be filled without paying particular attention to the location of the felt.
  • the main flow direction of the fuel gas is parallel to the tube axis S, which means that both a cocurrent and a countercurrent arrangement is possible.
  • a uniform distribution of the fuel gas flow is ensured by appropriate resistance elements at the inlet and / or by fuel injection at several points in a fuel cell stack. The structural design of the stacking element of a stress level is thus defined.
  • anodes 3 fuel gas and reaction product gas 3a
  • cathodes 2 combustion air and exhaust air 2a
  • the electrical wiring the cascading, so that the structure of the fuel cell tube 100 and the afterburning of anode and cathode exhaust gas, as well as the integration of the fuel gas preparation and the stack cooling.
  • gas flow on the anode side is also referred to as anode gas 3a and on the cathode side also as cathode gas 2a, regardless of the type of local gas composition.
  • Cascading can be achieved very easily by connecting stack elements of several voltage levels to one another in such a way that the elements are electrically connected in series.
  • the individual cell elements 1 are gas-tightly connected with annular connection contacts 5 such that the cathodes 2 of the stacking element n are contacted with the anodes 3 of the stacking element n + 1 via the connection contacts 5.
  • the connection contact material e.g. lanthanum chromite
  • the connection contact material must be electrically conductive and chemically stable at the operating temperature and have the same thermal expansion as the electrolyte material (ytterium-doped zirconium oxide).
  • the individual row elements 1 connected in series form the fuel cell tube 100, through which air flows.
  • a gas-permeable intermediate floor 6 made of insulator material which is designed, for example, as a nozzle bottom, is inserted with corresponding passages for the fuel cell tubes 100 between the individual stacking elements or spacers made of insulator material are used which prevent a short circuit between two voltage levels.
  • the fuel cell tubes 100 are not clamped by these intermediate floors, but rather can move as freely as possible in order to rule out possible expansion problems from the outset.
  • zirconium oxide as the insulator material. This ensures the function of cascading and the anode-side parallel connection of the individual voltage levels within the stack. The electrical and gas connection of the stack to the overall system remains to be solved.
  • the cell elements 1 of the first group of stacking elements on the air side are fitted gas-tight in a perforated plate 7 such that the cathode gas 2a can flow into the fuel cell tubes 100 without coming into contact with the anode gas 3a.
  • the perforated plate 7 consists of electrically conductive material with the same possible thermal expansion as the SOFC (eg lanthanum chromite) and is conductively connected to the anode 3 of the SOFC.
  • the serial connection of the cell elements 1 on the perforated plate 7 begins with a correspondingly modified connection of the cells with a cathode-side contact. Insulation between perforated plate 7 and nickel felt 4 is provided.
  • anode gas space is initially electrically insulated from the outside by a gas-permeable intermediate floor 9 or spacers made of insulator material.
  • the electrical current generated in the stack can then be tapped off on the cathode side.
  • the cathode side of each fuel cell tube 100 is provided for contacting with the nozzle-shaped outlet connection contacts 10.
  • This connection is arranged between outlet connection contact 10 and adjacent fuel cell tubes 100 in such a way that it is always wetted with anode gas 3a and therefore oxidation is excluded.
  • This also allows the use of nickel felt 4 or the like as a material for current dissipation.
  • This type of construction has the advantage of a movable mounting of the fuel cell tubes 100 at the outlet and avoids largely unintentional forces on the fuel cell tubes 100. Additional rigid current leads can be movably attached within the nickel felt 4 in order to minimize the resistance of the lead. To the outside, the construction is completed by the conductive nozzle floor or a conductive mesh 12.
  • the outlet connection contact 10 and the conductive nozzle base 12 are designed and arranged in such a way that nitrogen oxide formation during the combustion of the anode exhaust gas is largely avoided.
  • the anode gas 3a is added as a fuel gas in the counterflow arrangement in the area of the air outlet and the outlet area of the combustion air is designed such that the current discharge on the cathode side - gas-tight - separates the cell area and the outlet area so that a mixture of anode exhaust gas and fresh fuel gas is excluded.
  • the fresh fuel gas flows against the flow of the combustion air in the direction of the air inlet. This is where the exhaust gas product generated during combustion is deflected. Channels guide the exhaust gas product to the air outlet area and to the afterburning chamber 8.
  • FIG. 3b Another embodiment of the counterflow arrangement, which is shown in broken lines in FIG Collection of the cathode-side exhaust air is provided.
  • the exhaust air 2b and the anode-side exhaust gas 3b are removed via separate channels.
  • the direct current arrangement, which has already been described above, is shown in FIG. 3b.
  • the stack must be terminated towards page 13 in such a way that no short circuit can occur between the individual voltage levels. This is solved by continuous ceramic walls. A combination of metallic walls with ceramic insulation pieces in the transition area between the individual voltage levels is another solution.
  • the stacks formed in this way have a modular structure and their size can be designed in such a way that the cooling of the stack from the outside is ensured by suitable heat exchanger devices which can be used to heat the working fluid in a downstream thermal power process or to heat another parallel or downstream endothermic process is.
  • Combustion air as cathode gas 2a comes from a supply line 14 to air box 16 and from there enters the cathode side of fuel cell tubes 100.
  • the fuel gas as anode gas 3a is fed laterally into the stack 17 via the fuel gas line 15.
  • the stack 17 is constructed here similar to a flat burner and the post-combustion chamber 8 is designed as a common combustion chamber.
  • the size of the individual stacks is determined by the cooling conditions in order to ensure that the stacks are operated as isothermally as possible.
  • the cooling tubes 18 are arranged as radiation coolers.
  • Another possible variant is an integration of the cooling tubes parallel to the fuel cell tubes 100 in the stack 17 itself.
  • the cooling tubes 18 must, however, consist of insulator material in order to avoid short circuits in the stack.
  • a combination of cooling tubes 18 integrated in the stack 17 with external cooling tubes 18 as shown in FIG. 4 is another possible flexible variant.
  • circular, ring-shaped or hexagonal shapes for the stack 17 or also floor plans are possible, which require a specific installation situation if the supply of air and fuel is ensured.
  • the fuel preparation takes place in such a way that the heat released at the fuel cell is used directly for the endothermic process of fuel preparation. Reforming is common today when using natural gas.
  • the arrangements shown in FIG. 4 and the arrangements described above are also suitable for integrating the reforming into the stack 17. For this purpose, only the number of cooling tubes 18, which are necessary to cover the heat requirement of the reforming, are filled with catalyst material.
  • allothermal gasification is a suitable process and here the cooling pipes 18 or the post-combustion chamber 8 serve as a heat source for the allothermal gasification.
  • a further developed embodiment of a cooler integrated in the stack consists of an insulating tube 22, which is closed on the outlet side of the stack 17 and is arranged in central positions parallel to the heat-defying fuel cell tubes 100 in the stack, as shown in FIG. 5.
  • a second tube 24 which is open on the inside and which supplies the arrangement with cooling gas.
  • the inner tube is arranged centrally in the outer tube so that the between the tubes 22, 24 resulting annular gap is sufficient to ensure a functional discharge of the cooling gas.
  • the cooling gas is combustion air as cathode gas 2 a, which after heating up flows into the air box 16 and then to the cathode side of the fuel cell tubes 100.
  • FIG. 1 the cooling gas is combustion air as cathode gas 2 a, which after heating up flows into the air box 16 and then to the cathode side of the fuel cell tubes 100.
  • the tube arrangement consisting of tubes 22 and 24, in which the pre-reforming now takes place, is provided with catalyst material and the pre-deformed fuel gas flows through suitable openings in the outer tube 22, which are arranged on the inlet side of the stack 17, to the anode side of the fuel cell tubes 100.
  • This arrangement is gas-tightly separated from the air side, in particular from the air box 16.
  • FIG. 6 shows a detail of the structure of a fuel cell tube 100 which is applied to a carrier tube 19.
  • a continuous, porous carrier tube 19 made of non-conductive material with the same thermal expansion as the electrolyte 23
  • the individual cell elements located one behind the other in this way are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts 5.
  • a useful further development is a partially electrically conductive carrier tube, which is formed from a chain of tube elements made of the material of the cathodes 2, which are connected to the carrier tube by means of annular elements 20 made of electrically insulating material with approximately the same thermal expansion as the electrolyte 23 using a suitable joining technique , as shown in Fig. 7a.
  • the outer surfaces of the tubular elements are provided with a thin gas-tight layer made of material of the electrolyte 23 except for a small annular section at the end of each tubular element made of material of the cathodes 2, which remains free.
  • the portion of the tube surface provided with electrolyte material is with the material of the anodes 3 coated.
  • the individual cell elements which are formed one behind the other in this way are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts 5 in order to form the fuel cell tube 100.
  • the part of the cathode 2 that remains free is connected to the anode 3 of the next tubular element, as shown in FIG. 7b.
  • FIGS. 8a and 8b An advantageous further development is shown in FIGS. 8a and 8b. It is advantageous to design the tubular elements from the material of the cathodes 2 in such a way that the internal cross-section 21 increases the conductor cross section of the tubular element. With the same conductor cross-section, this permits thinner wall thicknesses of the construction and thus smaller diffusion paths for the combustion air and, during start-up operations, higher permissible temperature change rates than is possible with ordinary pipes.
  • the annular element 20 made of electrically insulating material, which is necessary for the construction of the partially electrically conductive carrier tube, is designed such that it is provided on both sides with a number of pin-shaped fitting elements 27, which fit into the inner ribs 21 of the tubular element made of cathode material and using suitable technology are decreed.
  • FIG. 9 A further advantageous development of a fuel cell device is shown in FIG. 9.
  • the formation of gas channels 25 parallel to the central axis of the cell elements 1 is provided in the outer nickel felt 4, inner rings 26 or porous tubes made of nickel material being introduced in such a way that they exert a slight contact pressure when heated exert on the nickel felt 4 and thus improve the contact between the nickel felt 4 and the anode side of the fuel cell tube 1.

Abstract

The invention concerns a fuel cell installation (30) with high temperature fuel cells. The fuel cells are rotationally symmetrically designed as cell elements (1). Combustion air as cathode gas (2a) inside on the cathode side (2) and fuel gas as anode gas (3a) outside on the anode side (3) is applied. Outside on the anode side the fuel cells come into full contact with a high-temperature stable conductive metal felt such as nickel felt (4) or the like, thus forming a voltage plane.

Description

Brennstoffzelleneinrichtung mit röhrenförmigen Hochtemperatur-Brennstoffzellen Fuel cell device with tubular high-temperature fuel cells
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelleneinrichtung mit röhrenförmigen Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Brennstoffzellen werden zunehmend zur direkten Stromerzeugung aus der Verbrennungsreaktion des Brennstoffes in der Energietechnik eingesetzt. Die weitestgehend isotherm mit Zelltemperatur zur Verfügung stehende Zellabwärme läßt sich zur weiteren Stromerzeugung in einem Wärmekraftprozeß nutzen, wenn die Brennstoffzellen bei hoher Temperatur betrieben werden (Hochtemperatur-Brennstoffzellen). Diese stufenweise Nutzung des thermodynamischen Potentials der Verbrennungsreaktion mittels der Kombination von Brennstoffzelle und Wärmekraftprozeß läßt elektrische Wirkungsgrade bis zu 80 % erwarten. {Winkler W. : Möglichkeiten der Auslegung von Kombikraftwerken mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen. BWK 44 (1992) Nr. 12, S. 533 - 538; Winkler W. Analyse des Systemverhaltens von Kraftwerksprozessen mit Brennstoffzellen. BWK 45 (1993) Nr. 6, S. 302 - 307; Winkler W. : Der Einfluß der Prozeßkonfiguration auf das Arbeitsvermögen vonThe invention relates to a fuel cell device with tubular high-temperature fuel cells. Fuel cells are increasingly being used for the direct generation of electricity from the combustion reaction of the fuel in energy technology. The largely isothermally available cell waste heat with cell temperature can be used for further electricity generation in a thermal power process if the fuel cells are operated at high temperature (high-temperature fuel cells). This gradual use of the thermodynamic potential of the combustion reaction by means of the combination of the fuel cell and the thermal power process means that electrical efficiencies of up to 80% can be expected. {Winkler W.: Possibilities of designing combined cycle power plants with high-temperature fuel cells. BWK 44 (1992) No. 12, pp. 533-538; Winkler W. Analysis of the system behavior of power plant processes with fuel cells. BWK 45 (1993) No. 6, pp. 302-307; Winkler W.: The influence of process configuration on the working capacity of
Verbrennungskraftprozessen. BWK 46 (1994) Nr. 7/8. S. 334 - 340). Voraussetzung für diese hohen Wirkungsgrade ist eine geeignete Außenkühlung der Zellen einschließlich einer Integration der endothermen Brennstoffaufbereitung (vergl. Winkler W. : SOFC-Integrated Power Plants for Natural Gas. Proceedings Ist European Solid Oxide Fuel Cell Forum. Ulf Bossel. Luzern. 1994. ISBN 3-922148- 14-X. S. 821 -848 und Winkler W. : Grundsätze der Auslegung kombinierter Brennstoffzellen-Kraftwerke. VDI Bericht 1174. "Energieversorgung mit Brennstoffzellenanlagen - Stand und Perspektiven". VDI Verlag Düsseldorf. 1995. S 131 - 154. ). Als endotherme Verfahren zur Brennstoffaufbereitung kommen hierbei etwa die Erdgasreformierung, die allotherme Kohlevergasung oder die Biogaserzeugung in Betracht.Internal combustion processes. BWK 46 (1994) No. 7/8. Pp. 334 - 340). A prerequisite for these high efficiencies is a suitable external cooling of the cells including an integration of the endothermic fuel preparation (see Winkler W.: SOFC-Integrated Power Plants for Natural Gas. Proceedings is European Solid Oxide Fuel Cell Forum. Ulf Bossel. Lucerne. 1994. ISBN 3-922148- 14-XS 821 -848 and Winkler W.: Principles of the design of combined fuel cell power plants. VDI report 1174. "Energy supply with fuel cell systems - status and prospects". VDI Verlag Düsseldorf. 1995. S 131 - 154.). Natural gas reforming, allothermal coal gasification or biogas production can be considered as endothermic processes for fuel processing.
Eine besonders aussichtsreiche Entwicklung stellt die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) in röhrenförmiger Bauweise dar. Bei der röhrenförmigen Brennstoffzelle befindet sich die eine Elektrode auf der Innenseite und die andere auf der Außenseite des Brennstoffzellenrohres, wobei beide Elektroden durch den Elektrolyten elektrisch und gasseitig getrennt aber hinsichtlich des Sauerstoffionentransportes miteinander verbunden werden. Der Begriff "elektrisch" bezieht sich hier und im folgenden auf den Transport von Elektronen. Alle verwendeten Werkstoffe müssen eine annähernd gleiche Wäπmeausdehnung haben, um unzulässige Wärmespannungen zu vermeiden. Die Kathode wird dabei mit Luft und die Anode mit Brenngas beaufschlagt. Aus den einzelnen Zellen werden für den Kraftwerkseinsatz geeignete Strukturen, Stapel oder auch Stacks genannt, aufgebaut. Dabei werden die Brennstoffzellen elektrisch seriell verschaltet, um technisch nutzbare Spannungen zu erreichen. Eine gleichzeitige parallele Verschaltung der einzelnen Zellen oder Stapel des gleichen Spannungsniveaus sorgt für die notwendige Redundanz bei Ausfall einzelner Zellen oder Stapel. Eine stufenweise Verbrennung des Brenngases in elektrisch seriell verbundenen Zellen (Kaskadierung) sorgt bei fortgeschrittenen Konzepten für eine möglichst hohe Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit des Brenngases.A particularly promising development is the oxide ceramic fuel cell (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) in a tubular construction. In the tubular fuel cell, one electrode is on the inside and the other on the outside of the fuel cell tube, both electrodes being electrical and separated on the gas side but connected to one another with regard to the transport of oxygen ions. The term "electrical" refers here and below to the transportation of Electrons. All materials used must have approximately the same thermal expansion in order to avoid inadmissible thermal stresses. Air is applied to the cathode and fuel gas to the anode. The individual cells are used to build structures, stacks or stacks, which are suitable for use in power plants. The fuel cells are electrically connected in series to achieve technically usable voltages. A simultaneous parallel connection of the individual cells or stacks of the same voltage level ensures the necessary redundancy in the event of failure of individual cells or stacks. A step-by-step combustion of the fuel gas in cells connected in series (cascading) ensures that, as far as advanced concepts are concerned, the working capacity of the fuel gas is utilized as much as possible.
Bisher sind im wesentlichen zwei Grundformen von konstruktiven Lösungen für röhrenförmige Zellen bekannt. Einmal werden dazu kleinere ringförmige Zellelemente durch Verbindungskontaktierungen (Interconnector), die gasdicht eine elektrische Kontaktierung zwischen den anöden- und kathodenseitigen Elektroden der Zellelemente herstellen, zu Röhrenzellen verbunden werden. Der Aufbau erinnert an die Schweißverbindung nahtloser Rohre (vergl. z. B. altes Domier Konzept & MHI Konzept : Dönitz W., Erdle £., Streicher R : Oxidkeramische Brennstoffzellen, Prinzip, Entwicklungsstand und Marktmöglichkeiten in H. Wendt υ. V. Plzak (Hrsg) : Brennstoffzellen - Stand der Technik Entwicklungslinien Marktchancen. VDI Verlag Düsseldorf. 1990. S 133 - 143. & Yoshioka T. et. al. : Development on tubular Type SOFC Module. Proceedings 2nd IFCC Kobe 1996. S. 251 - 254). Hier wird das Brenngas innen und die Verbrennungsluft außen zugeführt. Die Kaskadierung der Verbrennungsführung folgt aus der konstruktiven Ausbildung. Eine elektrische Verbindung der Zellen gleichen Spannungsniveaus zur Sicherstellung der notwendigen Redundanzen für den Stromfluß bei Ausfall eines Zellelementes ist bei diesen Konzepten nicht möglich. Eine aus der US-A-52 73 839 bekannte Anordnung geht von einer Kette von ringförmigen Zellen aus, deren Anoden- und Kathodenseiten elektrisch mit durchgehenden Versorgungsröhren für Brenngas und Luft verbunden sind. Zwischen den einzelnen Zellabschnitten sind Nachverbrennungseinrichtungen angeordnet. Eine kaskadierte Verbrennung und eine serielle elektrische Verschaltung der strömungsseitig hintereinander liegenden Zellen ist dabei nicht möglich.So far, essentially two basic forms of constructive solutions for tubular cells are known. On the one hand, smaller, ring-shaped cell elements are connected to form tube cells by means of connecting contacts (interconnectors), which make electrical contact between the anode and cathode electrodes of the cell elements in a gastight manner. The structure is reminiscent of the welded connection of seamless pipes (see e.g. old Domier concept & MHI concept: Dönitz W., Erdle £., Streicher R: Oxide ceramic fuel cells, principle, development status and market opportunities in H. Wendt υ. V. Plzak (Ed.): Fuel cells - state of the art development lines market opportunities. VDI Verlag Düsseldorf. 1990. S 133 - 143. & Yoshioka T. et. Al.: Development on tubular Type SOFC Module. Proceedings 2nd IFCC Kobe 1996. pp. 251 - 254 ). Here the fuel gas is supplied inside and the combustion air outside. The cascading of the combustion control follows from the constructive training. An electrical connection of the cells of the same voltage level to ensure the necessary redundancies for the current flow in the event of failure of a cell element is not possible with these concepts. An arrangement known from US-A-52 73 839 is based on a chain of annular cells, the anode and cathode sides of which are electrically connected to continuous supply tubes for fuel gas and air. Afterburning devices are arranged between the individual cell sections. A cascaded combustion and A serial electrical connection of the cells lying one behind the other on the flow side is not possible.
Die zweite u.a. aus der US-A-5 273 839 bekannte Lösung geht von einem in Längsrichtung des Rohres offenen Elektrolyten aus, der erst durch die Verbindungskontaktierung geschlossen die notwendigerweise gasdichte Röhre bildet (vergl. Westinghouse Konzept z.B. in : The Westinghouse solid oxide fuel cell program - A 1992 progress report. Westinghouse Electric Corporation. Pittsburgh. 1992). Dabei ist die Kathode auf der Innenseite des Rohres aufgebracht und wird über die Verbindungskontaktierung kontaktiert. Auf der Außenseite ist die Anode mit entsprechenden Öffnungen so aufgebracht, daß keine elektrische Verbindung zur Verbindungskontaktierung besteht. Auf einer Seite ist die Röhre geschlossen. Der konstruktive Aufbau erinnert an ein längsgeschweißtes Rohr und die Zelle ist nicht rotationssymmetrisch. Die Verbrennungsluft wird durch eine innenliegende Keramikröhre in das Zellrohr nahe dem geschlossenem Ende eingebracht und strömt längs der Kathodenseite der Zelle nach außen. Dies bedeutet aber, daß der Durchmesser des Brennstoffzellenrohres nach unten hin und damit die Leistungsdichte nach oben hin begrenzt ist. Das Brenngas wird außen zugeführt. Die serielle Schaltung der einzelnen Zellen erfolgt über die Kontaktierung einer Zelle durch die Verbindungskontaktierung mit Nickelfilz an der Anodenseite der nächstfolgenden Zelle. Durch eine Zugabe des Brenngases in Flußrichtung des elektrischen Stromes ermöglicht auch diese Konstruktion eine Kaskadierung. Durch eine anodenseitige Kontaktierung der einzelnen Zellen gleichen Spannungsniveaus mit Nickelfilz läßt sich die gewünschte Redundanz erreichen. Der Elektrolyt bildet kein geschlossenes Rohr und die Brennstoffzelle ist dadurch nicht mehr rotationssymmetrisch. Die an der Außenseite des Rohres erfolgenden Kontaktierungen betreffen insgesamt drei Spannungsebenen. Die innenliegende Röhre zur Luftzufuhr begrenzt den Rohrdurchmesser nach unten hin und damit die Leistungsdichte nach oben hin. Eine serielle elektrische Verschaltung und Kaskadierung ist nur mit mehreren Rohren möglich.The second u.a. The solution known from US-A-5 273 839 is based on an electrolyte which is open in the longitudinal direction of the tube and which forms the necessarily gastight tube only when the connection is made (see Westinghouse concept, for example in: The Westinghouse solid oxide fuel cell program - A 1992 progress report, Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, 1992). The cathode is applied to the inside of the tube and is contacted via the connection contact. On the outside, the anode is applied with corresponding openings so that there is no electrical connection to the connection contact. The tube is closed on one side. The construction is reminiscent of a longitudinally welded tube and the cell is not rotationally symmetrical. The combustion air is introduced into the cell tube near the closed end through an internal ceramic tube and flows out along the cathode side of the cell. However, this means that the diameter of the fuel cell tube is limited downwards and thus the power density is limited upwards. The fuel gas is supplied outside. The individual cells are connected in series via the contacting of a cell through the connection contacting with nickel felt on the anode side of the next cell. By adding the fuel gas in the direction of flow of the electric current, this construction also enables cascading. The desired redundancy can be achieved by contacting the individual cells of the same voltage level with nickel felt on the anode side. The electrolyte does not form a closed tube and the fuel cell is therefore no longer rotationally symmetrical. The contacts made on the outside of the tube relate to a total of three voltage levels. The inner tube for air supply limits the tube diameter downwards and thus the power density upwards. Serial electrical connection and cascading is only possible with several pipes.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion der Brennstoffzelle und des Stapels so zu gestalten, daß die serielle Schaltung und die Kaskadierung in einem Brennstoffzellenrohr erfolgt, daß die parallele Verschaltung der einzelnen Spannungsebenen in einem Stapel erfolgt, daß das Brennstoffzellenrohr und seine Komponenten an den für die Fertigung und die Handhabung wichtigen Außenflächen auch während der Produktionsschritte vollständig rotationssymmetrisch ist, daß eine konstruktive Begrenzung des Durchmessers des Brennstoffzellenrohres nach unten hin nicht gegeben ist und daß der Stapel die günstige Integration der erforderlichen Außenkühlung der Brennstoffzellenrohre sicherstellt Der Begriff Stapel bezieht sich also hier auch auf eine Anordnung parallel geschalteter Brennstoffzellenrohre.The object of the invention is to design the construction of the fuel cell and the stack so that the serial circuit and the cascading in one Fuel cell tube is made so that the parallel connection of the individual voltage levels takes place in a stack, that the fuel cell tube and its components on the outer surfaces that are important for production and handling are completely rotationally symmetrical even during the production steps, that there is a downward design limitation of the diameter of the fuel cell tube does not exist and that the stack ensures the favorable integration of the required external cooling of the fuel cell tubes. The term stack also refers here to an arrangement of fuel cell tubes connected in parallel.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.According to the invention, the object is achieved by the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Nach der Erfindung sind die auf der Außenseite befindlichen Elektroden eines rotationssymmetrischen Hochtemperatur-Brennstoffzellenelementes, im weiteren auch als Brennstoffzellenelement oder kurz Zellelement bezeichnet, durch einen bei hohen Temperaturen beständigen Filz elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden so eine einzige Spannungsebene parallelgeschalteter Zellelemente; die Elektroden der Innenseiten der parallelgeschalteten Brennstoffzellenelemente einer Spannungsebene sind dabei durch gasdichte Verbindungskontaktierungen elektrisch mit den Elektroden der Außenseiten der entsprechenden Brennstoffzellenelemente einer weiteren Spannungsebene verbunden, wobei die jeweiligen mit dem elektrisch leitenden Filz befüllten Außenräume der parallelgeschalteten Zellelemente beider Spannungsebenen durch elektrisch isolierende aber gasdurchlässige Zwischenböden oder sonstige geeignete gasdurchlässige Trennelemente getrennt sind, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Anzahl der so elektrisch seriell verschalteten Spannungsebenen ist durch die gewünschte Auslegungsspannung des Stapels festgelegt. Die elektrisch seriell mit den gasdichten Verbindungskontaktierungen verschaltetenAccording to the invention, the electrodes on the outside of a rotationally symmetrical high-temperature fuel cell element, hereinafter also referred to as a fuel cell element or cell element for short, are electrically conductively connected to one another by a felt that is resistant to high temperatures and thus form a single voltage level of parallel-connected cell elements; the electrodes of the inner sides of the parallel connected fuel cell elements of a voltage level are electrically connected to the electrodes of the outer sides of the corresponding fuel cell elements of a further voltage level by gas-tight connection contacts, the respective outer spaces of the parallel connected cell elements of both voltage levels filled with the electrically conductive felt by electrically insulating but gas-permeable intermediate floors or other suitable gas-permeable separating elements are separated in order to avoid short circuits. The number of voltage levels that are electrically connected in series is determined by the desired design voltage of the stack. The electrically connected in series with the gas-tight connection contacts
Brennstoffzellenelemente bilden das fertige Brenπstoffzellenrohr. Die Hauptströmungsrichtung des Brenngases und der Verbrennungsluft ist parallel zur Rohrachse. Eine bevorzugte Ausbildungsform ist die Gleichstromanordnung und eine andere Ausbildungsform ist die Gegenstromanordnung. Mittels Widerstandseiementen am Eintritt und/oder mittels einer Brennstoffeindüsung an mehreren Stellen ist eine gleichförmige Verteilung der Brenngassströmung gesichert. Im weiteren wird zur Vereinfachung, wo dies zulässig ist, der Gasstrom auf der Anodenseite auch als Anodengas und auf der Kathodenseite auch als Kathodengas bezeichnet, unabhängig von der Art der jeweiligen lokalen Gaszusammensetzung.Fuel cell elements form the finished fuel cell tube. The main flow direction of the fuel gas and the combustion air is parallel to the pipe axis. A preferred form of training is the direct current arrangement and Another form of training is the countercurrent arrangement. A uniform distribution of the fuel gas flow is ensured by means of resistance elements at the inlet and / or by means of fuel injection at several points. To simplify matters, the gas flow on the anode side is also referred to as anode gas and on the cathode side also as cathode gas, regardless of the type of local gas composition.
Bei einer bevorzugten Ausbildung liegt die mit Luft beaufschlagte Kathodenseite innen und außen die mit Brenngas beaufschlagte Anodenseite, die mit Nickelfilz oder einem anderen Material ähnlicher Struktur kontaktiert ist. Wenn im weiteren nur von Nickelfilz gesprochen wird, ist auch ein anderes Material ähnlicher Struktur eingeschlossen d.h. ein bei den hohen Temperaturen der Brennstoffzelle beständiger, elektrisch leitender Filz.In a preferred embodiment, the cathode side that is exposed to air lies on the inside and outside the anode side that is exposed to fuel gas and that is contacted with nickel felt or another material with a similar structure. If only nickel felt is used in the following, another material with a similar structure is also included, i.e. an electrically conductive felt resistant to the high temperatures of the fuel cell.
Eine andere Ausführungsform ist die Ausbildung der Außenseiten der Zellelemente des Brennstoffzellenrohres als Kathode. Dabei sind Filze mit Fasern aus Kathodenmaterial zur Kontaktierung eingesetzt. Die weitere Beschreibung bezieht sich auf die Bauform mit der außenliegenden Anodenseite und der Kontaktierung mit Nickelfilz, da in dem konstruktiven Aufbau bei beiden Varianten kein Unterschied besteht, wenn man von der Vertauschung der Gasströme und den notwendigerweise anderen Werkstoffen für den Filz absieht.Another embodiment is the formation of the outside of the cell elements of the fuel cell tube as a cathode. Felts with fibers made of cathode material are used for contacting. The rest of the description refers to the design with the external anode side and the contact with nickel felt, since there is no difference in the construction of the two variants, apart from the exchange of the gas flows and the necessary other materials for the felt.
Vorzugsweise sind Brennstoffzellelemente verschiedener Spannungsebenen jeweils durch ringförmige Verbindungskontaktierungen gasdicht miteinander verbunden, wobei jeweils die Kathodenseite der Brennstoffzellen der ersten Spannungsebene mit der Anodenseite der Brennstoffzelle der nächstfolgenden Spannungsebene in Strömungsrichtung des Brenngases über die Verbindungskontaktierungen leitend miteinander verbunden sind. Die Brennstoffzellen/Ohre sind in dem sie umgebenden Nickelfilz weich gelagert und sind nicht mit den Zwischenböden verspannt, sondern die Zwischenböden erlauben geringe Ausgleichbewegungen. Die Brennstoffzellenrohre des Stapels sind zweckmäßigerweise an ihren der Eintrittsseite zugewandten Enden in eine Lochplatte gasdicht eingepaßt. Auf diese Weise wird der Durchtritt von Luft zu der Anodenseite der Brennstoffzellen verhindert. Die Lochplatte besteht bei einer bevorzugten Ausbildungsform aus elektrisch leitendem Material mit gleicher Wärmeausdehnung wie das Material der Brennstoffzellen und ist leitend mit den Anoden der Brennstoffzellen und dem kontaktierenden Nickelfilz verbunden. Die Serienschaltung der Brennstoffzellenelemente beginnt bei einer weiteren Ausbildungsform an der Lochplatte mit einer kathodensertigen Kontaktierung, wobei eine Isolierung zwischen Lochplatte und dem Nickelfilz vorgesehen istFuel cell elements of different voltage levels are preferably connected to one another in a gas-tight manner by means of annular connection contacts, the cathode side of the fuel cells of the first voltage level and the anode side of the fuel cell of the next voltage level in the flow direction of the fuel gas being conductively connected to one another via the connection contacts. The fuel cells / ears are softly stored in the nickel felt surrounding them and are not braced with the intermediate floors, but the intermediate floors allow slight compensatory movements. The fuel cell tubes of the stack are expediently fitted gas-tight at their ends facing the inlet side in a perforated plate. In this way, the passage of air to the anode side of the fuel cells is prevented. In a preferred embodiment, the perforated plate consists of electrically conductive material with the same thermal expansion as the material of the fuel cells and is conductively connected to the anodes of the fuel cells and the contacting nickel felt. In a further embodiment, the series connection of the fuel cell elements begins with a cathode-ready contact on the perforated plate, insulation being provided between the perforated plate and the nickel felt
An den Austrittsseiten der Gase sind die Brennstoffzellenstapel vorzugsweise so ausgebildet, daß beide Gasströme getrennt zu einer Nachverbrennungskammer geführt sind. An den Austrittsseiten der Brennstoffzellenrohre sind insbesondere düsenförmige Austritts-Verbindungskontaktierungen vorgesehen, die eine leitende Verbindung zur Stromableitung des Brennstoffzellen-Stapels herstellen. Bei der Anordnung und Gestaltung der Austrittsdüsen sind Vorkehrungen getroffen, die die Stickoxidbildung bei der Abgasverbrennung weitgehend vermeiden.On the outlet sides of the gases, the fuel cell stacks are preferably designed such that both gas flows are routed separately to a post-combustion chamber. In particular, nozzle-shaped outlet connection contacts are provided on the outlet sides of the fuel cell tubes, which establish a conductive connection for current dissipation of the fuel cell stack. Precautions have been taken in the arrangement and design of the outlet nozzles that largely avoid the formation of nitrogen oxides during exhaust gas combustion.
Die Verbindung zwischen den Austritts-Verbindungskontaktierungen der Brennstoffzellenrohre am Stapel-Ausgang mittels Nickelfilz ist dabei bevorzugt so ausgebildet, daß in dem Bereich ständig Anodengas vorhanden ist. Hierdurch ist dort eine Oxidation unmöglich. Innerhalb des Nickelfilzes sind vorzugsweise zusätzliche Stromableitungen in einem gewissen Umfang beweglich angeordnet, um den elektrischen Widerstand der Stromableitungen zu vemngem. Am anodenseitigen Austritt befindet sich im Stapel ein elektrisch leitender Düsenboden oder ein leitendes Netz.The connection between the outlet connection contacts of the fuel cell tubes at the stack outlet by means of nickel felt is preferably designed such that anode gas is constantly present in the area. This makes oxidation impossible. Additional current leads are preferably movably arranged within the nickel felt to a certain extent in order to reduce the electrical resistance of the current leads. At the anode-side outlet there is an electrically conductive nozzle base or a conductive network in the stack.
Bei der Gegenstromanordnung erfolgt die Brenngaszugabe im Bereich des Luftaustritts. Der Austrittsbereich der Verbrennungsluft ist dabei so ausgebildet, daß der Bereich der Stromableitung an der Kathodenseite - gasdicht ausgeführt - den mit Nickelfilz ausgekleideten Bereich der Anodenseite der Brennstoffzellenrohre und den kathodenseitigen Austrittsbereich zur Verhinderung einer Gasmischung trennt Die Brenngasströmung erfolgt dabei entgegen der Strömung der Verbrennungsluft zum Lufteintritt hin. Dort erfolgt die Umlenkung des bei der Verbrennung entstehenden anodenseitigen Abgases. Kanäle leiten das anodenseitige Abgas zum Luftaustrittsbereich und zur Nachbrennkammer. Eine andere Ausbildungsform der Gegenstromanordnung gestattet eine getrennte Abfuhr von anodenseitigem Abgas und der Abluft der Kathodenseite, wobei ein Luftkasten am Austritt der Brennstoffzellenrohre zur Sammlung der kathodenseitigen Abluft vorgesehen ist. Die Abfuhr der Abluft und des anodenseitigen Abgases erfolgt über getrennte Kanäle.With the counterflow arrangement, the fuel gas is added in the area of the air outlet. The exit area of the combustion air is designed such that the area of the current discharge on the cathode side - gas-tight - separates the area of the anode side of the fuel cell tubes lined with nickel felt and the exit area on the cathode side to prevent a gas mixture The fuel gas flow takes place against the flow of the combustion air towards the air inlet. This is where the anode-side exhaust gas generated during combustion is deflected. Channels conduct the anode-side exhaust gas to the air outlet area and to the afterburning chamber. Another embodiment of the counterflow arrangement allows separate removal of the anode-side exhaust gas and the exhaust air from the cathode side, an air box being provided at the outlet of the fuel cell tubes for collecting the cathode-side exhaust air. The exhaust air and the anode-side exhaust gas are removed via separate channels.
Es ist vorteilhaft, die Längen der einzelnen Brennstoffzellenelemente des Brennstoffzellenrohres und damit deren Oberfläche an den Ausnutzungsgrad des Brenngases so anzupassen, daß die Oberflächen mit steigendem Ausnutzungsgrad des Brenngases ansteigen.It is advantageous to adapt the lengths of the individual fuel cell elements of the fuel cell tube and thus their surface to the degree of utilization of the fuel gas in such a way that the surfaces increase with increasing degree of utilization of the fuel gas.
Der Stapel ist nach außen hin durch feste Wände abgeschlossen. Zur Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Spannungsebenen sind vorzugsweise durchgehende keramische Wände oder Kombinationen aus metallischen Wänden mit keramischen Isolationsstücken im Übergangsbereich zwischen den Spannungsebenen vorgesehen.The stack is closed to the outside by solid walls. To prevent short circuits between the individual voltage levels, continuous ceramic walls or combinations of metallic walls with ceramic insulation pieces are preferably provided in the transition area between the voltage levels.
Vorteilhaft ist die Ausbildung des jeweiligen Stapels ähnlich einem Flachbrenner. Andere Ausführungsformen des Stapelgrundrisses sind kreis- und ringförmig oder sechseckig. Die Nachbrennkammer ist bei allen oben genannten Ausführungsformen insbesondere als gemeinsame Brennkammer ausgebildet. Die Zufuhr der Verbrennungsluft erfolgt über Versorgungsleitung und Luftkasten zu der Kathodenseite der Brennstoffzellenrohre. Die Brenngaszufuhr erfolgt bei einer zweckmäßigen Ausführungsform über eine Brenngasleitung seitlich an mehreren Stellen und oder über eigene Düsen in der Lochplatte des jeweilige Stapels. Diese Ausführung gestattet die Anpassung des Stapelgrundrisses an verschiedene erforderliche Grundrisse. Es ist günstig, wenn die Kühlrohre als Strahlungskühler ausgebildet sind und aus elektrisch isolierendem Material bestehen, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden. Eine zweckmäßige Fortbildung der Erfindung ist der Einsatz von Kühlrohren, die parallel zu den Zellrohren im Stapel integriert sind.It is advantageous to design the respective stack similar to a flat burner. Other embodiments of the stack floor plan are circular and ring-shaped or hexagonal. In all of the above-mentioned embodiments, the afterburning chamber is designed in particular as a common combustion chamber. The combustion air is supplied via the supply line and air box to the cathode side of the fuel cell tubes. In an expedient embodiment, the fuel gas is supplied laterally at several points via a fuel gas line and or via separate nozzles in the perforated plate of the respective stack. This design allows the stack floor plan to be adapted to various required floor plans. It is advantageous if the cooling tubes are designed as radiation coolers and are made of electrically insulating material, as a result of which short circuits are avoided. A useful further development of the invention is the use of cooling tubes which are integrated in the stack parallel to the cell tubes.
Ein Teil der in dem Brennstoffzellenstapel freiwerdenden Wärme steht vorzugsweise unmittelbar für den endothermen Prozeß der Brennstoffaufbereitung zur Verfügung und oder ein anderer Teil dieser Wärme ist für die Vorwärmung der Verbrennungsluft und oder die Wiederaufheizung von abgekühltem Abgas zur Weiterverwendung in nachgeschalteten Prozessen vorgesehen. Bei den Kühlrohren, die der Brennstoffaufbereitung dienen, ist entsprechendes Katalysatormaterial in den Rohren vorgesehen.Part of the heat released in the fuel cell stack is preferably immediately available for the endothermic process of fuel processing and or another part of this heat is provided for preheating the combustion air and or reheating cooled exhaust gas for further use in downstream processes. Corresponding catalyst material is provided in the tubes for the cooling tubes which are used for fuel processing.
Eine fortgebildete Ausführungsform eines im Stapel integrierten Kühlers besteht aus einem elektrisch isolierenden Rohr, das an der Austrittsseite des Stapels geschlossen ist und an zentralen Stellen parallel zu den wärmetiefernden Brennstoffzellenrohren im Stapel angeordnet ist In diesem am Stapelaustritt geschlossenen Rohr ist ein zweites, innenliegendes an der Austrittsseite offenes Rohr angeordnet, das die Anordnung mit Kühlgas versorgt Das innenliegende Rohr ist zentrisch im Außenrohr so angeordnet, daß der zwischen den Rohren entstehende Ringspalt ausreicht, um ein funktionsgerechtes Abströmen des Kühlgases sicher zu stellen. Bei einer Variante ist das Kühlgas Verbrennungsluft, die nach der Aufheizung in den Luftkasten und dann zu der Kathodenseite der Brennstoffzellenrohre strömt. Bei der anderen Variante ist Erdgas oder ein anderes kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas das Kühlgas. Hierbei ist die Rohranordnung, in der nun die Vorreformierung erfolgt, mit Katalysatormaterial versehen und das voπr eformierte Brenngas strömt über geeignete Öffnungen im Außenrohr, die an der Eintrittsseite des Stapels angeordnet sind, zur Anodenseite der Brennstoffzellenrohre.A further developed embodiment of a cooler integrated in the stack consists of an electrically insulating tube, which is closed on the outlet side of the stack and is arranged in central locations parallel to the heat-supplying fuel cell tubes in the stack Open pipe arranged, which supplies the arrangement with cooling gas. The inner pipe is arranged centrally in the outer pipe so that the annular gap created between the pipes is sufficient to ensure that the cooling gas flows out functionally. In one variant, the cooling gas is combustion air, which after heating up flows into the air box and then to the cathode side of the fuel cell tubes. In the other variant, natural gas or another hydrocarbon-containing fuel gas is the cooling gas. Here, the tube arrangement, in which the pre-reforming now takes place, is provided with catalyst material and the previously reformed fuel gas flows through suitable openings in the outer tube, which are arranged on the inlet side of the stack, to the anode side of the fuel cell tubes.
Eine zweckmäßige Fortbildung der Erfindung nutzt auch die bei der Nachverbrennung freigesetzte Wärme für die Brennstoffaufbereitung und/oder die Luftvorwärmung und/oder die Wiederaufheizung des Rauchgases zur Verwendung in nachgeschalteten Prozessen. Es kann eine Kohle- oder Biomassevergasung in einer allothermen Vergasung vorgesehen sein, wobei die von den Stapeln beheizten Röhren und/oder die Nachbrennkammer als Wärmequelle dienen.An expedient development of the invention also uses the heat released in the afterburning for the fuel preparation and / or the air preheating and / or the reheating of the flue gas for use in downstream processes. Coal or biomass gasification can be provided in an allothermal gasification, the tubes heated by the stacks and / or the afterburning chamber serving as a heat source.
Zur Herstellung des Brennstoffzellenrohres ist vorteilhaft, ein durchgehendes, poröses Trägerrohr aus nicht leitendem Material mit gleicher Wärmeausdehnung wie der Elektrolyt zu verwenden und auf dem Trägerrohr die einzelnen Brennstoffzellenelemente mit Beschichtungen aus Kathoden-, Elektrolyt- und Anodenmaterial mittels geeigneter Dünnschicht- oder Sintertechnik aufzubringen. Die so entstandenen hintereinander befindlichen einzelnen Zellelemente sind mittels geeignet aufgebrachter gasdichter Verbindungskontaktierungen elektrisch seriell kontaktiert.To produce the fuel cell tube, it is advantageous to use a continuous, porous carrier tube made of non-conductive material with the same thermal expansion as the electrolyte and to apply the individual fuel cell elements with coatings of cathode, electrolyte and anode material to the carrier tube by means of suitable thin-film or sintering technology. The individual cell elements which are formed one behind the other in this way are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts.
Eine zweckmäßige Fortbildung der Erfindung ist ein partiell elektrisch leitendes Trägerrohr, das aus einer Kette von Rohrelementen aus Kathodenmaterial besteht, die mittels ringförmiger Elemente aus elektrisch isolierendem Material mit gleicherAn expedient further development of the invention is a partially electrically conductive carrier tube, which consists of a chain of tube elements made of cathode material, which by means of ring-shaped elements made of electrically insulating material with the same
Wärmeausdehnung wie der Elektrolyt mit einer geeigneten Fügetechnik zu demThermal expansion like the electrolyte with a suitable joining technique to that
Rohr verbunden sind. Die äußeren Oberflächen der Rohreiemente sind mit einer dünnen gasdichten Schicht aus Elektrolytmaterial versehen bis auf einen kleinen ringförmigen Abschnitt am Ende jedes Rohrelementes aus Kathodenmaterial, der als Anschluß frei bleibt. Der mit Elektrolytmaterial versehene Anteil derTube are connected. The outer surfaces of the tube elements are provided with a thin gas-tight layer of electrolyte material except for a small annular section at the end of each tube element made of cathode material, which remains free as a connection. The portion of the electrolyte material
Rohroberfläche ist mit Anodenmaterial beschichtet. Die so entstandenen hintereinander befindlichen einzelnen Zellelemente sind mittels geeignet aufgebrachter gasdichter Verbindungskontaktierungen elektrisch seriell kontaktiert, um das Brennstoffzellenrohr zu bilden. Dabei wird der frei gebliebene Teil derThe pipe surface is coated with anode material. The individual cell elements that are formed one behind the other are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts in order to form the fuel cell tube. The part of the
Kathode mit der Anode des nächsten Rohrelementes verbunden.Cathode connected to the anode of the next tubular element.
Dabei ist es vorteilhaft, die Rohrelemente aus Kathodenmaterial so auszubilden, daß sich durch innenliegende Rippen der Leiterquerschnitt des Rohrelementes vergrößert. Dies gestattet bei gleichem Leiterquerschnitt dünnere Wanddicken der Konstruktion und damit geringere Diffusionswege für die Verbrennungsluft und bei Anfahrvorgängen größere zulässige Temperaturänderungsgeschwindigkeiten als es bei gewöhnlichen Rohren möglich ist. Das zum Aufbau des partiell elektrisch leitenden Trägerrohr notwendige ringförmige Element aus elektrisch isolierendem Material ist so ausgebildet, daß es auf beiden Seiten mit einer Anzahl von stiftföπmigen Paßelementen versehen ist, die in die innenliegenden Rippen des Rohrelementes aus Kathodenmaterial eingepaßt und mit geeigneter Technik verfügt sind.It is advantageous to design the tubular elements from cathode material in such a way that the conductor cross section of the tubular element increases due to internal ribs. With the same conductor cross-section, this permits thinner wall thicknesses of the construction and thus smaller diffusion paths for the combustion air and, during start-up operations, higher permissible temperature change rates than is possible with ordinary pipes. That to build the partially electric conductive support tube necessary annular element made of electrically insulating material is designed so that it is provided on both sides with a number of pin-shaped fitting elements which are fitted into the inner ribs of the tubular element made of cathode material and are equipped with suitable technology.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der Erfindung ist die Ausbildung von zu den Brennstoffzellenrohren parallelen Gaskanälen im außenliegenden Nickelfilz, wobei Innenringe oder poröse Rohre aus Nickelmaterial so eingebracht sind, daß sie bei Erwärmung einen leichten Anpreßdruck auf den Nickelfilz ausüben und so die Kontaktierung zwischen Nickelfilz und Anodenseite des Brennstoffzellenrohres verbessern.Another advantageous further development of the invention is the formation of gas channels parallel to the fuel cell tubes in the external nickel felt, inner rings or porous tubes made of nickel material being introduced in such a way that they exert a slight contact pressure on the nickel felt when heated and thus the contact between the nickel felt and the anode side of the Improve fuel cell tube.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der Erfindung ist die Herstellung von einzelnen, jeweils mit den zugehörigen gasdurchlässigen Zwischenböden versehenen Spannungsebenen, bestehend aus der erforderlichen Anzahl von Zellelementen, Nickelfilz und Innenringen, die in leichtflüchtigen Kunststoff oder Wasserglas getränkt einen kompakten Block ergeben. Die gasdichten Zellelemente sind dabei so ausgeführt, daß sie mit einer Kontaktierungsfläche an der Kathode und Anode, sowie der notwendigen Isolierung ausgestattet sind. Der Zusammenbau zu den Brennstoffzellrohren erfolgt dann in allen Rohren des Stapels in einem Arbeitsgang pro Spannungsebene indem mit einem geeigneten Fügeverfahren die zugehörigen Zellelemente elektrisch seriell und gasdicht miteinander verbunden werden.A further advantageous development of the invention is the production of individual voltage levels, each provided with the associated gas-permeable intermediate floors, consisting of the required number of cell elements, nickel felt and inner rings which, when soaked in volatile plastic or water glass, result in a compact block. The gas-tight cell elements are designed so that they are equipped with a contact surface on the cathode and anode, as well as the necessary insulation. The assembly into the fuel cell tubes is then carried out in all tubes of the stack in one operation per voltage level by connecting the associated cell elements to one another in an electrically serial and gas-tight manner using a suitable joining method.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.The invention is described in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown schematically in the drawings, from which further details, features and advantages result.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 einen Teil einer Brennstoffzelleneinrichtung im Schnitt, Fig. 2 eine Brennstoffzelleneinrichtung mit in Serie geschalteten röhrenförmigen Brennstoffzellelementen im Schnitt,1 shows part of a fuel cell device in section, 2 shows a fuel cell device with tubular fuel cell elements connected in series in section,
Fig. 3a eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Anordnung für die Brenngaszufuhr im Gegenstrom,3a shows a fuel cell device with an arrangement for the supply of fuel gas in countercurrent,
Fig. 3b eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Anordnung für die Brenngaszufuhr im Gleichstrom,3b shows a fuel cell device with an arrangement for the supply of fuel gas in direct current,
Fig. 4 eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Brenngaszufuhr imFig. 4 shows a fuel cell device with a fuel gas supply in
Gleichstrom und zahlreichen Stapeln von Brennstoffzellrohren,Direct current and numerous stacks of fuel cell tubes,
Fig. 5 eine Brenπstoffzelleneinrichtung mit Brennstoffzellrohren und im5 shows a fuel cell device with fuel cell tubes and
Stapel integrierten Kühler im Schnitt,Stack of integrated coolers on average,
Fig. 6 einen Teil der Brennstoffzelleneinrichtung als Schnitt einesFig. 6 shows part of the fuel cell device as a section
Brennstoffzellenrohres mit Trägerrohr,Fuel cell tube with carrier tube,
Fig. 7a einen Teil der Brennstoffzelleneinrichtung als Schnitt eines partiell elektrisch leitenden Trägenrohres,7a a part of the fuel cell device as a section of a partially electrically conductive support tube,
Fig. 7b einen Teil der Brennstoffzelleneinrichtung als Schnitt eines Brennstoffzellenrohres mit partiell elektrisch leitendem Trägerrohr,7b shows a part of the fuel cell device as a section of a fuel cell tube with a partially electrically conductive carrier tube,
Fig. 8a einen Teil der Brennstoffzelleneinrichtung als Querschnitt eines mit Innenrippen versehenen Kathodenrohres,8a shows a part of the fuel cell device as a cross section of a cathode tube provided with inner fins,
Fig. 8b einen Teil der Brennstoffzelleneinrichtung als Schnitt der elektrisch nicht leitenden Verbindungselemente eines partiell elektrisch leitenden Trägerrohres und die Einpassung in die innenliegenden Rippen desFig. 8b a part of the fuel cell device as a section of the electrically non-conductive connecting elements of a partially electrically conductive support tube and the fit into the inner ribs of the
Rohrelementes aus Kathodenmaterial, Fig. 9 eine Schnittansicht durch einen Teil der Brennstoffzelleneinrichtung mit anodenseitigem Gaskanal und Anpreßringen der Nickelfilzkontaktierung.Tubular element made of cathode material, Fig. 9 is a sectional view through part of the fuel cell device with anode-side gas channel and pressure rings of the nickel felt contact.
Die Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelleneinrichtung 30 prinzipieller Art Rotationssymmetrische Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) haben am Umfang innenliegende Kathoden 2 und außenliegenden Anoden 3, die durch den Elektrolyt 23 getrennt werden. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen als Rohre ausgebildet. Die Zellelemente 1 werden innen auf der Kathodenseite mit Luft, die mit 2a bezeichnet ist, und außen auf der Anodenseite mit Brenngas beaufschlagt, das mit 3a bezeichnet ist. Die Pfeile 2a, 3a zeigen in Strömungsrichtung. Die Einrichtung gemäß Fig. 1 ist rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Mittelachse S. Auf der Anodenseite sind die Zellelemente 1 durch einen hochtemperaturbeständigen elektrisch leitenden Metallfilz kontaktiert, bei dem es sich insbesondere um Nickelfilz 4 handelt. Statt Nickelfilz 4 kann ein anderes Material ähnlicher Struktur verwendet werden. Durch die elektrisch leitende Verbindung auf dem gleichen räumlichen Niveau parallel angeordneter Zellelemente 1 wird eine Spannungsebene gebildet. Diese Konzeption hat den Vorteil, daß der Anodenraum mit der porösen Schicht des Nickelfilzes 4 o.a. Kontaktierungsmaterial gefüllt werden kann, ohne daß auf die Lage des Filzes besonders geachtet werden muß. Die Hauptströmungsrichtung des Brenngases ist parallel zur Rohrachse S, wodurch sowohl eine Gleichstrom- als auch eine Gegenstromanordnung möglich ist. Dabei ist eine gleichförmige Verteilung der Brenngasstr mung durch entsprechende Widerstandselemente am Eintritt und/oder durch eine Brennstoffeindüsung an mehreren Stellen eines Brennstoffzellenstapels gewährleistet. Damit ist der konstruktive Aufbau des Stapelelementes einer Spannungsebene definiert.1 shows a fuel cell device 30 of a basic type of rotation-symmetrical high-temperature fuel cells (SOFC) have inner cathodes 2 and outer anodes 3 on the circumference, which are separated by the electrolyte 23. The fuel cells are preferably designed as tubes. The cell elements 1 are acted upon on the inside on the cathode side with air, which is denoted by 2a, and on the outside on the anode side with fuel gas, which is denoted by 3a. The arrows 2a, 3a point in the direction of flow. 1 is rotationally symmetrical with respect to a central axis S. On the anode side, the cell elements 1 are contacted by a high-temperature-resistant, electrically conductive metal felt, which is, in particular, nickel felt 4. Instead of nickel felt 4, another material with a similar structure can be used. A voltage level is formed by the electrically conductive connection of cell elements 1 arranged in parallel on the same spatial level. This concept has the advantage that the anode space with the porous layer of nickel felt 4 or the like. Contacting material can be filled without paying particular attention to the location of the felt. The main flow direction of the fuel gas is parallel to the tube axis S, which means that both a cocurrent and a countercurrent arrangement is possible. A uniform distribution of the fuel gas flow is ensured by appropriate resistance elements at the inlet and / or by fuel injection at several points in a fuel cell stack. The structural design of the stacking element of a stress level is thus defined.
Zum Aufbau eines Stapels müssen noch eine getrennte Zu- und Abfuhr der Gasströme auf den Seiten der Anoden 3 (Brenngas- und Reaktionsproduktgas 3a) und Kathoden 2 (Verbrennungsluft und Abluft 2a), die elektrische Leitungsführung, die Kaskadierung, damit der Aufbau des Brennstoffzellenrohres 100 und die Nachverbrennung von Anoden- und Kathodenabgas, sowie die Einbindung der Brenngasaufbereitung und der Stapelkühlung vorgesehen werden. Im weiteren wird der Gasstrom auf der Anodenseite auch als Anodengas 3a und auf der Kathodenseite auch als Kathodengas 2a bezeichnet, unabhängig von der Art der jeweiligen lokalen Gaszusammensetzung.To build a stack, a separate supply and discharge of the gas streams on the sides of the anodes 3 (fuel gas and reaction product gas 3a) and cathodes 2 (combustion air and exhaust air 2a), the electrical wiring, the cascading, so that the structure of the fuel cell tube 100 and the afterburning of anode and cathode exhaust gas, as well as the integration of the fuel gas preparation and the stack cooling. In the further the gas flow on the anode side is also referred to as anode gas 3a and on the cathode side also as cathode gas 2a, regardless of the type of local gas composition.
Die Kaskadierung erreicht man sehr einfach, indem man Stapelelemente mehrerer Spannungsebenen so miteinander verbindet, daß die Elemente elektrisch seriell verschaltet sind. Dabei sind die einzelnen Zellelemente 1 mit ringförmigen Verbindungskontaktierungen 5 gasdicht so verbunden, daß die Kathoden 2 des Stapelelementes n mit den Anoden 3 des Stapelelementes n + 1 über die Verbindungskontaktierungen 5 kontaktiert werden. Das Verbindungs- kontaktierungsmaterial (z.B. Lanthanchromit) muß bei der Betriebstemperatur elektrisch leitend und chemisch stabil sein sowie eine gleiche Wärmeausdehnung wie das Elektrolytmaterial (Ytteriumdotiertes Zirkoniumoxid) haben. Die einzelnen so seriell verschalteten Zeilelemente 1 bilden das Brennstoffzellenrohr 100, das mit Luft durchströmt wird. Damit kein Kurzschluß im Stapel auftritt, muß sichergestellt werden, daß die Anodenseiten der einzelnen Stapelelemente elektrisch voneinander getrennt sind. Gleichzeitig muß aber auch das Brenngas, bzw. das Gasgemisch aus Brenngas und Produktgas ungehindert von einem Stapelelement zum nächsten strömen.Cascading can be achieved very easily by connecting stack elements of several voltage levels to one another in such a way that the elements are electrically connected in series. The individual cell elements 1 are gas-tightly connected with annular connection contacts 5 such that the cathodes 2 of the stacking element n are contacted with the anodes 3 of the stacking element n + 1 via the connection contacts 5. The connection contact material (e.g. lanthanum chromite) must be electrically conductive and chemically stable at the operating temperature and have the same thermal expansion as the electrolyte material (ytterium-doped zirconium oxide). The individual row elements 1 connected in series form the fuel cell tube 100, through which air flows. So that no short circuit occurs in the stack, it must be ensured that the anode sides of the individual stack elements are electrically separated from one another. At the same time, however, the fuel gas or the gas mixture of fuel gas and product gas must flow freely from one stacking element to the next.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein gasdurchlässiger Zwischenboden 6 aus Isolatormaterial, der beispielsweise als Düsenboden ausgebildet ist, mit entsprechenden Durchtritten für die Brennstoffzellenrohre 100 zwischen die einzelnen Stapelelemente eingelegt wird oder Distanzhalter aus Isolatormaterial eingesetzt werden, die einen Kurzschluß zwischen zwei Spannungsebenen vermeiden. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Brennstoffzellenrohre 100 durch diese Zwischenböden nicht eingespannt sind, sondern sich möglichst frei bewegen können, um mögliche Dehnungsbehinderungen von vornherein auszuschließen. Es bietet sich an, als Isolatormaterial Zirkoniumoxid zu verwenden. Damit ist die Funktion der Kaskadierung und der anodenseitigen Parallelschaltung der einzelnen Spannungsebenen innerhalb des Stapels gesichert. Es verbleibt noch der elektrische und gasseitige Anschluß des Stapels an das Gesamtsystem zu lösen. Fig. 2 zeigt den Stapelaufbau. Die Zellelemente 1 der luftseitig ersten Gruppe von Stapelelementen sind dazu in eine Lochplatte 7 gasdicht so eingepaßt, daß das Kathodengas 2a in die Brennstoffzellenrohre 100 einströmen kann, ohne mit dem Anodengas 3a in Kontakt zu kommen. Dabei besteht die Lochplatte 7 aus elektrisch leitendem Material mit möglichst gleicher Wämeausdehnung wie die SOFC (z.B. Lanthanchromit) und ist leitend mit der Anode 3 der SOFC verbunden. Bei einer weiteren Lösung beginnt die serielle Schaltung der Zellelemente 1 an der Lochplatte 7 bei entsprechend geänderter Schaltung der Zellen mit einer kathodenseitigen Kontaktierung. Dabei ist eine Isolierung zwischen Lochplatte 7 und Nickelfilz 4 vorgesehen.This is achieved according to the invention in that a gas-permeable intermediate floor 6 made of insulator material, which is designed, for example, as a nozzle bottom, is inserted with corresponding passages for the fuel cell tubes 100 between the individual stacking elements or spacers made of insulator material are used which prevent a short circuit between two voltage levels. It is expedient that the fuel cell tubes 100 are not clamped by these intermediate floors, but rather can move as freely as possible in order to rule out possible expansion problems from the outset. It is advisable to use zirconium oxide as the insulator material. This ensures the function of cascading and the anode-side parallel connection of the individual voltage levels within the stack. The electrical and gas connection of the stack to the overall system remains to be solved. Fig. 2 shows the stack structure. For this purpose, the cell elements 1 of the first group of stacking elements on the air side are fitted gas-tight in a perforated plate 7 such that the cathode gas 2a can flow into the fuel cell tubes 100 without coming into contact with the anode gas 3a. The perforated plate 7 consists of electrically conductive material with the same possible thermal expansion as the SOFC (eg lanthanum chromite) and is conductively connected to the anode 3 of the SOFC. In a further solution, the serial connection of the cell elements 1 on the perforated plate 7 begins with a correspondingly modified connection of the cells with a cathode-side contact. Insulation between perforated plate 7 and nickel felt 4 is provided.
Der Austritt von Anodengas 3a und Kathodengas 2a aus dem Stapel ist dann so ausgebildet, daß beide Gasströme zur Nachverbrennungskammer 8 fließen. Dazu ist der Anodengasraum zunächst durch einen gasdurchlässigen Zwischenboden 9 oder Distanzhalter aus Isolatormaterial nach außen hin elektrisch isoliert. Dann ist der in dem Stapel erzeugte elektrische Strom auf der Kathodenseite abgreifbar. Dazu ist die Kathodenseite jedes Brennstoffzellenrohres 100 zur Kontaktierung mit den düsenförmig ausgebildeten Austritts- erbindungskontaktierungen 10 versehen. Diese Austritts- Verbindungskontaktierungen 10 am Rohraustritt stellen über den Nickelfilz 4 die Verbindung zur Stromableitung 11 des Stapels her. Diese Verbindung ist zwischen Austritts- Verbindungskontaktierung 10 und benachbarten Brennstoffzellenrohren 100 so angeordnet, daß sie immer mit Anodengas 3a benetzt ist und daher eine Oxidation ausgeschlossen ist. Dies gestattet auch den Einsatz von Nickelfilz 4 o.a. als Werkstoff für die Stromableitung. Diese Bauart hat den Vorteil einer beweglichen Lagerung der Brennstoffzellenrohre 100 am Austritt und vermeidet weitgehend unbeabsichtigte Kräfte auf die Brennstoffzellenrohre 100. Innerhalb des Nickelfilzes 4 lassen sich zusätzliche starre Stromableitungen beweglich anbringen, um den Widerstand der Ableitung zu minimieren. Nach außen hin wird die Konstruktion durch den leitenden Düsenboden oder ein leitendes Netz 12 abgeschlossen. Dabei sind Austritts-Verbindungskontaktierung 10 und leitender Düsenboden 12 so ausgebildet und angeordnet, daß die Stickoxidbildung bei der Verbrennung des Anodenabgases weitgehend vermieden wird, Gemäß Fig. 3a erfolgt die Zugabe des Anodengases 3a als Brenngas bei der Gegenstromanordnung im Bereich des Luftaustritts und der Austrittsbereich der Verbrennungsluft ist so gestaltet, daß die Stromableitung der Kathodenseite - gasdicht ausgeführt - den Zellbereich und den Austrittsbereich so trennt, daß eine Mischung von Anodenabgas und frischem Brenngas ausgeschlossen ist. Das frische Brenngas strömt entgegen der Strömung der Verbrennungsluft entlang in Richtung Lufteintritt Dort erfolgt die Umlenkung des bei der Verbrennung entstehenden Abgasprodukts. Kanäle leiten das Abgasprodukt zum Luftaustrittsbereich und zur Nachverbrennungskammer 8. Eine andere Ausbildungsform der Gegenstromanordnung, die in Fig. 3a strichliert eingetragen ist, gestattet eine getrennte Abfuhr von anodenseitigem Abgas 3b und der Abluft 2b der Kathodenseite, wobei ein Luftkasten am Austritt der Brennstoffzellenrohre 100 zur Sammlung der kathodenseitigen Abluft vorgesehen ist Die Abfuhr der Abluft 2b und des anodenseitigen Abgases 3b erfolgt über getrennte Kanäle. Die Gleichstromanordnung, die schon oben beschrieben wurde, zeigt Fig. 3b.The exit of anode gas 3a and cathode gas 2a from the stack is then designed such that both gas flows flow to the afterburning chamber 8. For this purpose, the anode gas space is initially electrically insulated from the outside by a gas-permeable intermediate floor 9 or spacers made of insulator material. The electrical current generated in the stack can then be tapped off on the cathode side. For this purpose, the cathode side of each fuel cell tube 100 is provided for contacting with the nozzle-shaped outlet connection contacts 10. These outlet connection contacts 10 at the pipe outlet establish the connection to the current conductor 11 of the stack via the nickel felt 4. This connection is arranged between outlet connection contact 10 and adjacent fuel cell tubes 100 in such a way that it is always wetted with anode gas 3a and therefore oxidation is excluded. This also allows the use of nickel felt 4 or the like as a material for current dissipation. This type of construction has the advantage of a movable mounting of the fuel cell tubes 100 at the outlet and avoids largely unintentional forces on the fuel cell tubes 100. Additional rigid current leads can be movably attached within the nickel felt 4 in order to minimize the resistance of the lead. To the outside, the construction is completed by the conductive nozzle floor or a conductive mesh 12. The outlet connection contact 10 and the conductive nozzle base 12 are designed and arranged in such a way that nitrogen oxide formation during the combustion of the anode exhaust gas is largely avoided. According to Fig. 3a, the anode gas 3a is added as a fuel gas in the counterflow arrangement in the area of the air outlet and the outlet area of the combustion air is designed such that the current discharge on the cathode side - gas-tight - separates the cell area and the outlet area so that a mixture of anode exhaust gas and fresh fuel gas is excluded. The fresh fuel gas flows against the flow of the combustion air in the direction of the air inlet. This is where the exhaust gas product generated during combustion is deflected. Channels guide the exhaust gas product to the air outlet area and to the afterburning chamber 8. Another embodiment of the counterflow arrangement, which is shown in broken lines in FIG Collection of the cathode-side exhaust air is provided. The exhaust air 2b and the anode-side exhaust gas 3b are removed via separate channels. The direct current arrangement, which has already been described above, is shown in FIG. 3b.
Der Abschluß des Stapels zur Seite 13 hin muß so erfolgen, daß kein Kurzschluß zwischen den einzelnen Spannungsebenen erfolgen kann. Dies wird durch durchgehende keramische Wände gelöst Eine Kombination aus metallischen Wänden mit keramischen Isolationsstücken im Übergangsbereich zwischen den einzelnen Spannungsebenen ist eine weitere Lösung.The stack must be terminated towards page 13 in such a way that no short circuit can occur between the individual voltage levels. This is solved by continuous ceramic walls. A combination of metallic walls with ceramic insulation pieces in the transition area between the individual voltage levels is another solution.
Die so gebildeten Stapel sind modular aufgebaut und lassen sich in ihrer Größe so gestalten, daß die Kühlung des Stapels von außen durch geeignet angebrachte Wärmetauschereinrichtungen, die zur Aufheizung des Arbeitsmittels eines nachgeschalteten Wärmekraftprozesses oder der Beheizung eines sonstigen parallel oder nachgeschalteten endothermen Prozesses dienen können, gewährleistet ist.The stacks formed in this way have a modular structure and their size can be designed in such a way that the cooling of the stack from the outside is ensured by suitable heat exchanger devices which can be used to heat the working fluid in a downstream thermal power process or to heat another parallel or downstream endothermic process is.
Fig. 4 zeigt dazu ein Beispiel in Gleichstromanordnung. Die Verbrennungsluft als Kathodengas 2a wird von einer Versorgungsleitung 14 kommend zu dem Luftkasten 16 geführt und tritt von dort in die Kathodenseite der Brennstoffzellenrohre 100 ein. Das Brenngas als Anodengas 3a wird über die Brenngasleitung 15 seitlich in den Stapel 17 geführt. Der Stapel 17 ist hier ähnlich wie ein Flachbrenner aufgebaut und die Nachverbrennungskammer 8 ist als gemeinsame Brennkammer ausgebildet. Die Größe der einzelnen Stapel ist dabei von den Kühlbedingungen festgelegt, um einen möglichst isothermen Betrieb der Stapel zu gewährleisten. Bei dieser Anordnung sind die Kühlrohre 18 als Strahlungskühler angeordnet. Eine andere mögliche Variante ist eine Integration der Kühlrohre parallel zu den Brennstoffzellenrohren 100 im Stapel 17 selbst. Dabei müssen die Kühlrohre 18 allerdings aus Isolatormaterial bestehen, um Kurzschlüsse im Stapel zu vermeiden. Auch eine Kombination von im Stapel 17 integrierten Kühlrohren 18 mit außenliegenden Kühlrohren 18 wie in Fig. 4 gezeigt, ist eine weitere mögliche flexible Variante. Neben der an Flachbrennem erinnernden Konzeption sind kreisförmige, ringförmige oder sechseckige Formen für den Stapel 17 oder auch Grundrisse möglich, die eine bestimmte Einbausituation erfordert, wenn die Versorgung mit Luft und Brennstoff sichergestellt ist.4 shows an example of this in a direct current arrangement. Combustion air as cathode gas 2a comes from a supply line 14 to air box 16 and from there enters the cathode side of fuel cell tubes 100. The fuel gas as anode gas 3a is fed laterally into the stack 17 via the fuel gas line 15. The stack 17 is constructed here similar to a flat burner and the post-combustion chamber 8 is designed as a common combustion chamber. The size of the individual stacks is determined by the cooling conditions in order to ensure that the stacks are operated as isothermally as possible. In this arrangement, the cooling tubes 18 are arranged as radiation coolers. Another possible variant is an integration of the cooling tubes parallel to the fuel cell tubes 100 in the stack 17 itself. The cooling tubes 18 must, however, consist of insulator material in order to avoid short circuits in the stack. A combination of cooling tubes 18 integrated in the stack 17 with external cooling tubes 18 as shown in FIG. 4 is another possible flexible variant. In addition to the design reminiscent of flat burners, circular, ring-shaped or hexagonal shapes for the stack 17 or also floor plans are possible, which require a specific installation situation if the supply of air and fuel is ensured.
Die Brennstoffaufbereitung erfolgt so, daß die an der Brennstoffzelle freiwerdende Wärme unmittelbar für den endothermen Prozeß der Brennstoffaufbereitung eingesetzt ist. Bei Erdgaseinsatz ist heute die Reformierung üblich. Die in Fig. 4 gezeigte und die oben beschriebenen Anordnungen sind auch zur Integration der Reformierung in den Stapel 17 geeignet. Dazu sind nur die Anzahl von Kühlrohren 18, die für die Abdeckung des Wärmebedarfs der Reformierung nötig sind, mit Katalysatormaterial gefüllt. Bei Kohle- oder Biomassevergasung ist eine allotherme Vergasung ein geeigneter Prozeß und hier dienen die Kühlrohre 18 oder die Nachverbrennungskammer 8 als Wärmequelle für die allotherme Vergasung.The fuel preparation takes place in such a way that the heat released at the fuel cell is used directly for the endothermic process of fuel preparation. Reforming is common today when using natural gas. The arrangements shown in FIG. 4 and the arrangements described above are also suitable for integrating the reforming into the stack 17. For this purpose, only the number of cooling tubes 18, which are necessary to cover the heat requirement of the reforming, are filled with catalyst material. In coal or biomass gasification, allothermal gasification is a suitable process and here the cooling pipes 18 or the post-combustion chamber 8 serve as a heat source for the allothermal gasification.
Eine fortgebildete Ausführungsform eines im Stapel integrierten Kühlers besteht aus einem isolierenden Rohr 22, das an der Austrittsseite des Stapels 17 geschlossen ist und an zentralen Stellen parallel zu den wärmeliefemden Brennstoffzellenrohren 100 im Stapel angeordnet ist, wie Fig. 5 zeigt. In diesem austrittsseitig geschlossenen Rohr 22 ist ein zweites, innenliegendes an der Austrittsseite offenes Rohr 24 angeordnet, das die Anordnung mit Kühlgas versorgt. Das innenliegende Rohr ist zentrisch im Außenrohr so angeordnet, daß der zwischen den Rohren 22, 24 entstehende Ringspalt ausreicht, um ein funktionsgerechtes Abströmen des Kühlgases sicher zu stellen. Bei einer Variante ist das Kühlgas Verbrennungsluft als Kathodengas 2a, das nach der Aufheizung in den Luftkasten 16 und dann zu der Kathodenseite der Brennstoffzellenrohre 100 strömt. Bei einer anderen, in Fig. 5 nicht eingezeichneten, Variante ist Erdgas oder ein anderes kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas, das über das Rohr 24 einströmt, das Kühlgas. Hierbei ist die Rohranordnung bestehend aus den Rohren 22 und 24, in der nun die Vorreformierung erfolgt, mit Katalysatormaterial versehen und das voιτeformierte Brenngas strömt über geeignete Öffnungen im Außenrohr 22, die an der Eintrittsseite des Stapels 17 angeordnet sind, zur Anodenseite der Brennstoffzelleπrohre 100. Diese Anordnung ist gasdicht von der Luftseite, insbesondere von dem Luftkasten 16 getrennt.A further developed embodiment of a cooler integrated in the stack consists of an insulating tube 22, which is closed on the outlet side of the stack 17 and is arranged in central positions parallel to the heat-defying fuel cell tubes 100 in the stack, as shown in FIG. 5. Arranged in this tube 22, which is closed on the outlet side, is a second tube 24 which is open on the inside and which supplies the arrangement with cooling gas. The inner tube is arranged centrally in the outer tube so that the between the tubes 22, 24 resulting annular gap is sufficient to ensure a functional discharge of the cooling gas. In one variant, the cooling gas is combustion air as cathode gas 2 a, which after heating up flows into the air box 16 and then to the cathode side of the fuel cell tubes 100. In another variant, not shown in FIG. 5, natural gas or another hydrocarbon-containing fuel gas that flows in via the pipe 24 is the cooling gas. Here, the tube arrangement consisting of tubes 22 and 24, in which the pre-reforming now takes place, is provided with catalyst material and the pre-deformed fuel gas flows through suitable openings in the outer tube 22, which are arranged on the inlet side of the stack 17, to the anode side of the fuel cell tubes 100. This arrangement is gas-tightly separated from the air side, in particular from the air box 16.
Fig. 6 zeigt in einem Ausschnitt den Aufbau eines Brennstoffzellenrohres 100, das auf einem Trägerrohr 19 aufgebracht ist Zur Herstellung des Brennstoffzellenrohres 100 ist es vorteilhaft, ein durchgehendes, poröses Trägerrohr 19 aus nicht leitendem Material mit gleicher Wärmeausdehnung wie der Elektrolyt 23 zu verwenden und auf dem Trägerrohr 19 die einzelnen Brennstoffzellenelemente mit Beschichtungen aus Material der Kathoden 2, des Elektrolyts 23 und der Anoden 3 mittels geeigneter Dünnschicht- oder Sintertechnik nacheinander aufzubringen. Die so entstandenen hintereinander befindlichen einzelnen Zellelemente sind mittels geeignet aufgebrachter gasdichter Verbindungskontaktierungen 5 elektrisch seriell kontaktiert.6 shows a detail of the structure of a fuel cell tube 100 which is applied to a carrier tube 19. To produce the fuel cell tube 100, it is advantageous to use a continuous, porous carrier tube 19 made of non-conductive material with the same thermal expansion as the electrolyte 23 Apply the individual fuel cell elements with coatings made of material of the cathodes 2, the electrolyte 23 and the anodes 3 to the support tube 19 one after the other by means of a suitable thin-film or sintering technique. The individual cell elements located one behind the other in this way are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts 5.
Eine zweckmäßige Fortbildung ist ein partiell elektrisch leitendes Trägerrohr, das aus einer Kette von Rohrelementen aus Material der Kathoden 2 gebildet wird, die mittels ringförmiger Elemente 20 aus elektrisch isolierendem Material mit annähernd gleicher Wärmeausdehnung wie der Elektrolyt 23 mit einer geeigneten Fügetechnik zu dem Trägerrohr verbunden werden, wie Fig. 7a zeigt. Die äußeren Oberflächen der Rohrelemente sind mit einer dünnen gasdichten Schicht aus Material des Elektrolyts 23 versehen bis auf einen kleinen ringförmigen Abschnitt am Ende jedes Rohrelementes aus Material der Kathoden 2, der frei bleibt. Der mit Elektrolytmaterial versehene Anteil der Rohroberfläche ist mit Material der Anoden 3 beschichtet. Die so entstandenen hintereinander befindlichen einzelnen Zellelemente sind mittels geeignet aufgebrachter gasdichter Verbindungskontaktierungen 5 elektrisch seriell kontaktiert, um das Brennstoffzellenrohr 100 zu bilden. Dabei wird der frei gebliebene Teil der Kathode 2 mit der Anode 3 des nächsten Rohrelementes verbunden, wie Fig. 7b zeigt.A useful further development is a partially electrically conductive carrier tube, which is formed from a chain of tube elements made of the material of the cathodes 2, which are connected to the carrier tube by means of annular elements 20 made of electrically insulating material with approximately the same thermal expansion as the electrolyte 23 using a suitable joining technique , as shown in Fig. 7a. The outer surfaces of the tubular elements are provided with a thin gas-tight layer made of material of the electrolyte 23 except for a small annular section at the end of each tubular element made of material of the cathodes 2, which remains free. The portion of the tube surface provided with electrolyte material is with the material of the anodes 3 coated. The individual cell elements which are formed one behind the other in this way are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts 5 in order to form the fuel cell tube 100. The part of the cathode 2 that remains free is connected to the anode 3 of the next tubular element, as shown in FIG. 7b.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeigen Fig. 8a und Fig. 8b. Dabei ist es vorteilhaft, die Rohrelemente aus dem Material der Kathoden 2 so auszubilden, daß sich durch innenliegende Rippen 21 der Leiterquerschnitt des Rohrelementes vergrößert. Dies gestattet bei gleichem Leiterquerschnitt dünnere Wanddicken der Konstruktion und damit geringere Diffusionswege für die Verbrennungsluft und bei Anfahrvorgängen größere zulässige Temperaturänderungsgeschwindigkeiten als es bei gewöhnlichen Rohren möglich ist. Das zum Aufbau des partiell elektrisch leitenden Trägerrohr notwendige ringförmige Element 20 aus elektrisch isolierendem Material wird so ausgebildet, daß es auf beiden Seiten mit einer Anzahl von stiftförmigen Paßelementen 27 versehen ist, die in die innenliegenden Rippen 21 des Rohrelementes aus Kathodenmaterial eingepaßt und mit geeigneter Technik verfügt sind.An advantageous further development is shown in FIGS. 8a and 8b. It is advantageous to design the tubular elements from the material of the cathodes 2 in such a way that the internal cross-section 21 increases the conductor cross section of the tubular element. With the same conductor cross-section, this permits thinner wall thicknesses of the construction and thus smaller diffusion paths for the combustion air and, during start-up operations, higher permissible temperature change rates than is possible with ordinary pipes. The annular element 20 made of electrically insulating material, which is necessary for the construction of the partially electrically conductive carrier tube, is designed such that it is provided on both sides with a number of pin-shaped fitting elements 27, which fit into the inner ribs 21 of the tubular element made of cathode material and using suitable technology are decreed.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung einer Brennstoffzelleneinrichtung zeigt Fig. 9. Dort ist die Ausbildung von zu der Mittelachse der Zellelemente 1 parallelen Gaskanälen 25 im außentiegenden Nickelfilz 4 vorgesehen, wobei Innenringe 26 oder poröse Rohre aus Nickelmaterial so eingebracht sind, daß sie bei Erwärmung einen leichten Anpreßdruck auf den Nickelfilz 4 ausüben und so die Kontaktierung zwischen Nickelfilz 4 und Anodenseite des Brennstoffzellenrohres 1 verbessern. A further advantageous development of a fuel cell device is shown in FIG. 9. There, the formation of gas channels 25 parallel to the central axis of the cell elements 1 is provided in the outer nickel felt 4, inner rings 26 or porous tubes made of nickel material being introduced in such a way that they exert a slight contact pressure when heated exert on the nickel felt 4 and thus improve the contact between the nickel felt 4 and the anode side of the fuel cell tube 1.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzelleneinrichtung mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß rotationssymmetrische Brennstoffzellen, die insbesondere als Zellelemente (1) ausgebildet sind, innen auf der Seite der1. Fuel cell device with high-temperature fuel cells, characterized in that rotationally symmetrical fuel cells, which are designed in particular as cell elements (1), inside on the side of
Kathoden (2) mit Verbrennungsluft als Kathodengas (2a) und außen an der Seite der Anoden (3) mit Brenngas als Anodengas (3a) beaufschlagt werden und daß die Brennstoffzellen außen an der Anodenseite vollständig mit einem hochtemperaturbeständigem, leitfähigen Metallfilz wie Nickelfilz (4) o.dgl. kontaktiert werden und dadurch eine Spannungsebene bilden.Combustion air as cathode gas (2a) and combustion gas as anode gas (3a) on the outside of the anodes (3) and that the fuel cells on the outside of the anode side are completely coated with a high-temperature-resistant, conductive metal felt such as nickel felt (4) or the like be contacted and thereby form a voltage level.
2. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptströmungsrichtung des Brenngases parallel zur Rohrachse der Zellelemente (1) geführt ist und wahlweise eine Gleichstrom- oder eine Gegenstromanordnung vorgesehen ist.2. Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the main flow direction of the fuel gas is guided parallel to the tube axis of the cell elements (1) and optionally a direct current or countercurrent arrangement is provided.
3. BrennstofTzelleneinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gleichförmige Verteilung der Brenngasströmung Widerstandselemente am Eintritt und oder eine Brennstoffeindüsung an mehreren Stellen vorgesehen sind.3. Fuel cell device according to claims 1 and 2, characterized in that for a uniform distribution of the fuel gas flow resistance elements are provided at the inlet and or a fuel injection at several locations.
4. Brennstoffzelleneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zellelemente (1) einer Spannungsebene mit den Zellelementen (1) der nächsten Spannungsebene durch ringförmige Verbindungskontaktierungen (5) gasdicht verbunden sind und daß die Seite der Kathoden (2) des Stapelelementes der Spannungsebene n mit der Seite der Anoden (3) des Stapelelementes der Spannungsebene n + 1 über die Verbindungskontaktierungen (5) kontaktiert ist und so das Brennstoffzellenrohr (100) gebildet wird.4. Fuel cell device according to claims 1 to 3, characterized in that the individual cell elements (1) of a voltage level with the cell elements (1) of the next voltage level are connected gas-tight by annular connection contacts (5) and that the side of the cathodes (2) of the Stacking element of voltage level n is in contact with the side of the anodes (3) of the stacking element of voltage level n + 1 via the connection contacts (5) and the fuel cell tube (100) is thus formed.
5. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten der Anoden (3) der einzelnen Stapelelemente elektrisch voneinander so getrennt sind, daß ein gasdurchlässiger Zwischenboden (6) aus Isolatormaterial, der insbesondere als Düsenboden (12) ausgebildet ist, mit entsprechenden Durchtritten für die Brennstoffzellenrohre (100) zwischen die einzelnen Stapelelemente eingelegt ist oder Distanzhalter aus Isolatormaterial eingesetzt sind, die einen Kurzschluß zwischen zwei Spannungsebenen vermeiden.5. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the sides of the anodes (3) of the individual stacking elements are electrically separated from one another so that a gas-permeable intermediate floor (6) made of insulator material, which is designed in particular as a nozzle floor (12), with corresponding passages for the fuel cell tubes (100) is inserted between the individual stacking elements or spacers made of insulator material are used which prevent a short circuit between two voltage levels.
6. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenrohre (100) durch die Zwischenböden (6) nicht eingespannt sind, sondern frei beweglich sind, um mögliche Dehnungsbehinderungen von vornherein auszuschließen.6. Fuel cell device according to claim 5, characterized in that the fuel cell tubes (100) through the intermediate floors (6) are not clamped, but are free to move to prevent possible expansion problems from the outset.
7. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellelemente (1) der luftseitig ersten Gruppe von Stapelelementen in eine Lochplatte (7) gasdicht so eingepaßt sind, daß die Verbrennungsluft als Kathodengas (2a) in die Brennstoffzellenrohre (1) einströmen kann, ohne mit dem Brenngas als Anodengas (3a) in Kontakt zu kommen.7. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the cell elements (1) of the first group of stack elements on the air side are fitted gas-tight in a perforated plate (7) so that the combustion air as cathode gas (2a) in the fuel cell tubes (1) can flow in without coming into contact with the fuel gas as anode gas (3a).
8. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (7) aus elektrisch leitendem8. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the perforated plate (7) made of electrically conductive
Material mit möglichst gleichem Dehnungsverhalten wie die Brennstoffzellenrohre (100) besteht (Lanthanchromit) und leitend mit den Anoden (3) der Brennstoffzellenrohre (100) verbunden ist.Material with the same possible expansion behavior as the fuel cell tubes (100) consists (lanthanum chromite) and is conductively connected to the anodes (3) of the fuel cell tubes (100).
9. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die serielle Schaltung der Brennstoffzellenrohre (100) an der Lochplatte (7) bei entsprechend geänderter Schaltung der Brennstoffzellenrohre (100) mit einer kathodenseitigen Kontaktierung beginnt und eine Isolierung zwischen Lochplatte (7) und dem hochtemperaturbeständigem, elektrisch leitenden Metallfilz eingesetzt ist.9. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the serial circuit of the fuel cell tubes (100) on the perforated plate (7) with a correspondingly changed circuit of the fuel cell tubes (100) begins with a cathode-side contacting and insulation between the perforated plate (7) and the high temperature resistant, electrically conductive metal felt is used.
10. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt von Anodengas (3a) und Kathodengas (2a) aus dem Stapel (17) der Brennstoffzellenrohre (100) so ausgebildet ist, daß beide Gasströme zur Nachverbrennungskammer (8) geführt werden.10. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the outlet of anode gas (3a) and Cathode gas (2a) from the stack (17) of the fuel cell tubes (100) is designed such that both gas flows are led to the afterburning chamber (8).
11. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodengasraum zunächst durch einen gasdurchlässigen Zwischenboden (9) oder Distanzhalter aus Isolatormaterial für Elektronen nach außen hin zur Austritts- Verbindungskontaktierung (10) elektrisch isoliert ist.11. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 8 and 10, characterized in that the anode gas space is first electrically isolated by a gas-permeable intermediate floor (9) or spacers made of insulator material for electrons to the outside to the outlet connection contact (10).
12. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenseite am Austritt jedes Brennstoffzellenrohres (100) der letzten Spannungsebene zur Kontaktierung mit düsenförmig ausgebildeten Austritts- Verbindungskontaktierungen (10) versehen ist, die am Rohraustritt die Verbindung zur Stromableitung (11) des12. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 8, 10 and 11, characterized in that the cathode side at the outlet of each fuel cell tube (100) of the last voltage level for contacting is provided with nozzle-shaped outlet connection contacts (10) which exits at the tube the connection to the current drain (11) of the
Stapels (17) herstellen.Make the stack (17).
13. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 und 10, 11, 12, dadurch gekennzeichnet daß die Verbindung zwischen der jeweiligen Austritts- Verbindungskontaktierung (10) und den benachbarten13. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 8 and 10, 11, 12, characterized in that the connection between the respective outlet connection contact (10) and the adjacent one
Brennstoffzellenrohren (100) so angeordnet ist, daß sie immer mit Anodengas (3a) benetzt ist und daher eine Oxidation ausgeschlossen ist.Fuel cell tubes (100) is arranged so that it is always wetted with anode gas (3a) and therefore oxidation is excluded.
14. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Nickelfilz (4) oder ein hochtemperaturbeständiger leitender Metallfilz als Werkstoff für die Stromableitung eingesetzt ist14. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that nickel felt (4) or a high-temperature-resistant conductive metal felt is used as the material for current dissipation
15. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Nickelfilzes (4) oder15. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that within the nickel felt (4) or
Metallfilzes zusätzliche starre Stromableitungen beweglich angebracht sind, um den Widerstand der Ableitung zu minimieren. Metal felt additional rigid current leads are movably attached to minimize the resistance of the lead.
16. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis16. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelkonstruktion am Austritt der Breπnstoffzellenrohre (100) durch den leitenden Düsenboden (12) oder ein leitendes Netz abgeschlossen sind.15, characterized in that the stack construction at the outlet of the fuel cell tubes (100) is completed by the conductive nozzle base (12) or a conductive network.
17. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis17. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritts-Verbindungskontaktierungen (10) und der leitende Düsenboden (12) so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Stickoxidbildung bei der Verbrennung des Anodengases (3a) weitgehend ausgeschlossen ist.16, characterized in that the outlet connection contacts (10) and the conductive nozzle base (12) are designed and arranged such that nitrogen oxide formation during the combustion of the anode gas (3a) is largely excluded.
18. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenseite am Austritt jedes Brennstoffzellenrohres (100) der letzten Spannungsebene durch Kontaktierung über den hochtemperaturbeständigen Filz die Verbindung zur18. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 7, 9 to 11, characterized in that the anode side at the outlet of each fuel cell tube (100) of the last voltage level by contacting the high-temperature-resistant felt, the connection to
Stromableitung (11) des Stapels herstellt.Current discharge (11) of the stack.
19. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, 9 bis 11 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des hochtemperaturbeständigen Filzes am Austritt starre Stromableitungen beweglich angebracht werden.19. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 7, 9 to 11 and 18, characterized in that rigid current leads are movably attached within the high temperature resistant felt at the outlet.
20. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, 9 bis 11 und 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite der Brennstoffeellenrohre (100) und der leitende Düsenboden (12) so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Stickoxidbildung bei der Verbrennung des Anodengases (3a) weitgehend ausgeschlossen ist.20. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 7, 9 to 11 and 18 to 19, characterized in that the outlet side of the fuel cell pipes (100) and the conductive nozzle base (12) are designed and arranged so that the nitrogen oxide formation in the Combustion of the anode gas (3a) is largely excluded.
21. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gegenstromanordnung (Fig. 3a) das Brenngas als Anodengas (3a) im Bereich des Luftaustritts zugegeben und der Austrittsbereich der Verbrennungsluft als Kathodengas (2a) so gestaltet ist, daß die Stromableitung der Kathodenseite - gasdicht ausgeführt - den Zellbereich und den Austrittsbereich so trennt, daß keine Mischung von Anodenabgas und frischem Brenngas erfolgt21. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 20, characterized in that in the counterflow arrangement (Fig. 3a), the fuel gas is added as anode gas (3a) in the area of the air outlet and the outlet area of the combustion air is designed as cathode gas (2a) that the current discharge on the cathode side - gastight - separates the cell area and the exit area so that there is no mixing of anode exhaust gas and fresh fuel gas
22. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das frische Brenngas entgegen der22. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 21, characterized in that the fresh fuel gas against the
Strömung der Verbrennungsluft entlang zum Lufteintritt geführt ist und dort das bei der Verbrennungsreaktion entstandene Brenngas - Produktgas - Gemisch umgelenkt und durch Kanäle, die auch röhrenförmig ausgebildet sind, zum Bereich des Luftaustritts geführt und in der Nachverbrennungskammer (8) mit dem Brenngasrest verbrannt wird.Flow of the combustion air is led along to the air inlet and there the fuel gas / product gas mixture formed during the combustion reaction is diverted and guided through channels, which are also tubular, to the area of the air outlet and is burned with the fuel gas residue in the afterburning chamber (8).
23. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis23. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
22, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gegenstromanordnung (Fig. 3a) eine getrennte Abfuhr von anodenseitigem Abgas und der Abluft der Kathodenseite vorgesehen ist und die Abfuhr der Abluft (2b) und des anodenseitigen Abgases (3b) über getrennte Kanäle erfolgt22, characterized in that in the counterflow arrangement (Fig. 3a) a separate removal of anode-side exhaust gas and the exhaust air from the cathode side is provided and the removal of the exhaust air (2b) and the anode-side exhaust gas (3b) takes place via separate channels
24. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis24. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
23, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß des Stapels (17) zur Seite (13) hin so erfolgt, daß kein Kurzschluß zwischen den einzelnen23, characterized in that the stack (17) is closed to the side (13) in such a way that there is no short circuit between the individual
Spannungsebenen erfolgen kann und dazu durchgehende keramische Wände oder Kombinationen aus metallischen Wänden mit keramischen Isolationsstücken im Übergangsbereich zwischen den einzelnen Spannungsebenen eingesetzt sind.Voltage levels can occur and continuous ceramic walls or combinations of metallic walls with ceramic insulation pieces are used in the transition area between the individual voltage levels.
25. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis25. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft als Kathodengas (2a) von einer Versorgungsleitung (14) einem Luftkasten (16) zugeführt wird und von dort in die Kathodenseite der Brennstoffeellenrohre (100) eintritt24, characterized in that the combustion air is supplied as a cathode gas (2a) from a supply line (14) to an air box (16) and from there enters the cathode side of the fuel cell tubes (100)
26. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis26. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
25, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas als Anodengas (3a) über eine Brenngasleitung (15) seitlich an mehreren Stellen und/oder über eigene Düsen in der Lochplatte (7) in den Stapel (17) geführt wird.25, characterized in that the fuel gas as anode gas (3a) a fuel gas line (15) is guided laterally at several points and / or via separate nozzles in the perforated plate (7) into the stack (17).
27. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel (17) ähnlich wie ein27. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 26, characterized in that the stack (17) similar to a
Flachbrenner aufgebaut ist.Flat burner is built.
28. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß kreisförmige, ringförmige oder sechseckige Formen für dem Stapel (17) oder fast beliebige Grundrisse möglich sind, wenn es die Einbausituation erfordert und die Versorgung mit Luft und Brennstoff sichergestellt werden kann.28. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 27, characterized in that circular, annular or hexagonal shapes for the stack (17) or almost any floor plan are possible if the installation situation requires it and the supply of air and fuel are ensured can.
29. Brennstoffeelleneinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennungskammer (8) als gemeinsame29. Fuel cell device according to claims 1 to 28, characterized in that the post-combustion chamber (8) as a common
Brennkammer ausgebildet ist.Combustion chamber is formed.
30. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß am Stapel (17) Kühlrohre (18) als Strahlungskühler angeordnet sind.30. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 29, characterized in that cooling tubes (18) are arranged on the stack (17) as radiation coolers.
31. Brennstoffeelleneinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (18) parallel zu den Brennstoffeeilenrohren (100) im Stapel (17) geführt sind und zur Vermeidung von Kurzschlüssen im Stapel (17) aus Isolatormaterial bestehen.31. Fuel cell device according to claim 30, characterized in that the cooling tubes (18) are guided parallel to the fuel line tubes (100) in the stack (17) and to avoid short circuits in the stack (17) consist of insulator material.
32. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis32. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
31, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von im Stapel (17) integrierten Kühlrohren (18) mit außenliegenden Kühlrohren (18) eingesetzt ist.31, characterized in that a combination of cooling tubes (18) integrated in the stack (17) with external cooling tubes (18) is used.
33. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis33. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
32, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Brennstoffzelle freiwerdende Wärme unmittelbar für den endothermen Prozeß der Brennstoffaufbereitung eingesetzt ist und dazu die Anzahl von Kühlrohren (18), die für die Abdeckung des Wärmebedarfs der Brennstoffaufbereitung nötig sind, mit Katalysatormaterial gefüllt sind.32, characterized in that the released at the fuel cell Heat is used directly for the endothermic process of fuel processing and the number of cooling tubes (18) that are required to cover the heat requirement of the fuel processing are filled with catalyst material.
34. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Stapel (17) integrierter Kühler aus einem außen elektrisch isolierenden Rohr (22) besteht (Fig. 5), das an der Austrittsseite des Stapels (17) geschlossen ist und an zentralen Stellen parallel zu den wäπmeliefemden Brennstoffeellenrohren (100) im Stapel (17) angeordnet ist, und daß in diesem austrittsseitig geschlossenen Rohr (22) ein zweites, innenliegendes an der Austrittsseite offenes Rohr (24) angeordnet ist, das die Anordnung mit Kühlgas versorgt, und daß das innenliegende Rohr (24) zentrisch im äußeren Rohr (22) so angeordnet ist, daß der zwischen den Rohren (22, 24) entstehende Ringspalt ausreicht, um ein funktionsgerechtes34. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 33, characterized in that a cooler integrated in the stack (17) consists of an externally electrically insulating tube (22) (FIG. 5), which on the outlet side of the stack (17) is closed and is arranged in central locations parallel to the heat-emitting fuel cell tubes (100) in the stack (17), and that in this tube (22) which is closed on the outlet side, a second tube (24) which is open on the outlet side is arranged, which arrangement supplied with cooling gas, and that the inner tube (24) is arranged centrally in the outer tube (22) so that the annular gap which arises between the tubes (22, 24) is sufficient to ensure proper functioning
Abströmen des Kühlgases sicher zu stellen.Ensure the cooling gas flows out.
35. Brennstoffeelleneinrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas als Verbrennungsluft das Kathodengas (2a) ist, das nach der Aufheizung in den Luftkasten (16) und dann zu der Kathodenseite der35. Fuel cell device according to claim 34, characterized in that the cooling gas as combustion air is the cathode gas (2a), which after heating in the air box (16) and then to the cathode side of the
Brennstoffeellenrohre (1) strömt.Fuel cell pipes (1) flows.
36. Brennstoffeelleneinrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas Erdgas oder ein anderes kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas ist, das über das Rohr (24) einströmt, daß die Rohranordnung bestehend aus den36. Fuel cell device according to claim 34, characterized in that the cooling gas is natural gas or another hydrocarbon-containing fuel gas which flows in via the pipe (24), that the pipe arrangement consisting of the
Rohren (22) und (24), in der nun die Vorreformierung erfolgt, mit Katalysatormaterial versehen ist, daß das vorreformierte Brenngas über geeignete Öffnungen im Außenrohr (22), die an der Eintrittsseite des Stapels (17) angeordnet sind, zur Anodenseite der Brennstoffeellenrohre (100) strömt und daß diese Anordnung gasdicht von der Luftseite, insbesondere demTubes (22) and (24), in which the pre-reforming now takes place, is provided with catalyst material that the pre-reformed fuel gas via suitable openings in the outer tube (22), which are arranged on the inlet side of the stack (17), to the anode side of the fuel cell tubes (100) flows and that this arrangement gas-tight from the air side, in particular the
Luftkasten (16) getrennt ist. Air box (16) is separated.
37. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis37. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
36, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Einsatz von Kohle- oder Biomassevergasung in einer allothermen Vergasung die von den Stapeln (17) beheizten Röhren (18) und/oder die Nachverbrennungskammer (8) als Wärmequelle für die allotherme Vergasung dienen.36, characterized in that when coal or biomass gasification is used in an allothermal gasification, the tubes (18) and / or the post-combustion chamber (8) heated by the stacks (17) serve as a heat source for the allothermal gasification.
38. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis38. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
37, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchgehendes poröses Trägerrohr (19) (Fig. 6) aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff mit gleicher Wärmeausdehnung wie der Elektrolytwerkstoff ausgeführt ist und daß auf diesem Trägerrohr die Kathoden (2), die Elektrolyte (23) und die Anoden (3) als separate Zellelemente sowie die Verbindungskontaktierungen (5) zwischen den einzelnen Zellelementen durch eine geeignete Dünnschichttechnik und/oder Sintertechnik schichtweise aufgebracht sind.37, characterized in that a continuous porous support tube (19) (Fig. 6) made of an electrically non-conductive material with the same thermal expansion as the electrolyte material and that on this support tube, the cathodes (2), the electrolytes (23) and Anodes (3) as separate cell elements and the connection contacts (5) between the individual cell elements are applied in layers by means of a suitable thin-layer technique and / or sintering technique.
39. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis39. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
38, dadurch gekennzeichnet, daß ein partiell elektrisch leitendes Trägerrohr (Fig. 7a), das aus einer Kette von Rohrelementen aus Kathodenmaterial gebildet ist die mittels ringförmiger Elemente (20) aus elektrisch isolierendem Material mit annähernd gleicher Wämneausdehnung wie der Elektrolyt (23) mit einer geeigneten Fügetechnik zu dem Rohr verbunden sind, und daß die äußeren Oberflächen der Rohrelemente mit einer dünnen gasdichten Schicht aus Material des Elektrolyts (23) versehen sind bis auf einen kleinen ringförmigen Abschnitt am Ende jedes Rohrelementes aus Kathodenmaterial, der frei bleibt, daß der mit Elektrolytmaterial versehene Anteil der38, characterized in that a partially electrically conductive support tube (Fig. 7a), which is formed from a chain of tube elements made of cathode material which by means of annular elements (20) made of electrically insulating material with approximately the same thermal expansion as the electrolyte (23) with a suitable joining technology to the tube, and that the outer surfaces of the tubular elements are provided with a thin gas-tight layer of material of the electrolyte (23) except for a small annular portion at the end of each tubular element made of cathode material, which remains free that the electrolyte material provided portion of the
Rohroberfläche mit Anodenmaterial beschichtet ist und daß die so gebildeten hintereinander befindlichen einzelnen Zellelemente mittels geeignet aufgebrachter gasdichter Verbindungskontaktierungen (5) elektrisch seriell kontaktiert sind, um das Brennstoffeellenrohr (100) zu bilden (Fig. 7b).Pipe surface is coated with anode material and that the individual cell elements formed one behind the other are electrically connected in series by means of suitably applied gas-tight connection contacts (5) in order to form the fuel cell (100) (FIG. 7b).
40. Brennstoffeelleneinrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrelemente aus Kathodenmaterial so ausgebildet sind, daß sich durch innenliegende Rippen (21) (Fig. 8a) der Leiterquerschnitt des Rohrelementes vergrößert und/oder daß das zum Aufbau des partiell elektrisch leitenden Trägerrohrs (19) notwendige ringförmige Element (20) aus elektrisch isolierendem Material so ausgebildet ist daß es auf beiden Seiten mit einer Anzahl von stiftförmigen Paßelementen (27) versehen ist, die in die innenliegenden Rippen (21) des Rohrelementes aus Kathodenmaterial eingepaßt und verfügt sind (Fig. 8b).40. Fuel cell device according to claim 39, characterized in that the tubular elements are made of cathode material so that the internal cross-section (21) (Fig. 8a) of the conductor cross section of the tubular element enlarged and / or that the ring-shaped element (20) necessary for the construction of the partially electrically conductive support tube (19) is made of electrically insulating material so that it is provided on both sides with a number of pin-shaped fitting elements (27) which extend into the interior Ribs (21) of the tubular element made of cathode material are fitted and have (Fig. 8b).
41. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis41. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
40, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Brennstoffeellenrohren (100) parallele Gaskanäle (25) (Fig. 9) im außenliegenden Nickelfilz (4) ausgebildet sind, wobei Innenringe (26) oder poröse Rohre aus Nickelmaterial so eingebracht sind, daß sie zur Verbesserung der Kontaktierung zwischen Nickelfilz (4) und Anodenseite des Brennstoffzellenrohres (100) bei Erwärmung einen leichten Anpreßdruck auf den Nickelfilz (4) ausüben.40, characterized in that to the fuel cell pipes (100) parallel gas channels (25) (Fig. 9) are formed in the outer nickel felt (4), wherein inner rings (26) or porous pipes made of nickel material are introduced so that they improve the When heating the contact between the nickel felt (4) and the anode side of the fuel cell tube (100), exert a slight pressure on the nickel felt (4).
42. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis42. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
41, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kathode (2) an der Außenseite und die Anode (3) an der Innenseite des Brennstoffzellenrohres (100) befindet41, characterized in that the cathode (2) is on the outside and the anode (3) on the inside of the fuel cell tube (100)
43. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis43. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to
42, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung von einzelnen, jeweils mit den zugehörigen gasdurchlässigen Zwischenböden (9) versehenen Spannungsebenen erfolgt (Fig. 2), bestehend aus der erforderlichen Anzahl von Zellelementen (1), Nickelfilz (4) und Inπenringen (26), die in leichtflüchtigen Kunststoff oder Wasserglas getränkt einen kompakten Block ergeben, daß die gasdichten Zellelemente (1) dabei so ausgeführt sind, daß sie mit einer Kontaktierungsfläche an Kathode (2) und Anode (3), sowie der notwendigen Isolierung ausgestattet sind und daß der Zusammenbau zu den Brennstoffeellenrohren (100) dann in allen Rohren des Stapels (17) in einem Arbeitsgang pro Spannungsebene erfolgt, indem mit einem geeigneten42, characterized in that the production of individual tension levels, each provided with the associated gas-permeable intermediate floors (9) (FIG. 2), consists of the required number of cell elements (1), nickel felt (4) and inner rings (26), which soaked in volatile plastic or water glass give a compact block that the gas-tight cell elements (1) are designed so that they are equipped with a contact surface on the cathode (2) and anode (3), as well as the necessary insulation and that the assembly to the fuel cell tubes (100) is then carried out in all tubes of the stack (17) in one operation per voltage level by using a suitable
Fügeverfahren die zugehörigen Zellelemente elektrisch seriell und gasdicht verbunden werden. Joining process the associated cell elements are electrically connected in series and gas-tight.
44. Brennstoffeelleneinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellelemente (1), die das Brennstoffzellenrohr (100) bilden, unterschiedliche Längen haben, um die Oberflächen der einzelnen Zellelemente (1) mit steigender Brenngasausnutzung zu vergrößern. 44. Fuel cell device according to one or more of claims 1 to 43, characterized in that the cell elements (1) which form the fuel cell tube (100) have different lengths in order to enlarge the surfaces of the individual cell elements (1) with increasing use of fuel gas.
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